斯坦福崔屹&鲍哲楠Adv.Energ.Mater.：高离子导电性自修复粘结剂用于锂电硅负极

【引言】

硅(Si)由于具有极高的理论容量（3579mAh g^-1）、低放电电压、储量大及环境友好等优点，被认为是最具前景的锂离子电池负极材料之一。然而在充放电过程中，硅负极伴随着巨大的体积变化（300%~400%），导致电极结构崩塌和活性材料的剥落，进而使电极失去电接触，同时不稳定的电极/电解质界面加剧了电极与电解质间副反应的发生。该问题的存在导致电极容量大幅下降，严重抑制了硅负极材料的发展。

【成果简介】

近日，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲楠教授（共同通讯作者）带领的团队针对硅负极材料粉化带来的电极失效及与电解质发生副反应等问题，设计了一种新型聚合物粘合剂，实现了电极材料高容量，优异的循环及倍率性能。在该工作中，研究人员将聚乙二醇（PEG）基团引入自修复高分子材料（SHP）中，并将得到的新型聚合物作为微米硅负极的粘结剂使用。 该SHP-PEG粘合剂将SHP的自修复能力和PEG的Li离子传导能力结合起来，使微米硅颗粒和电解质之间的界面得到有效改善。得益于粘合剂的自愈合能力和高离子导电性，硅颗粒在多次循环后仍能保持导电性，同时电极与电解质间的副反应受到了有效抑制。此外，硅颗粒和电解质间高效的Li离子电荷转移能力,使电极材料展现出了优异速率性能。该成果以题为“Ionically Conductive Self-Healing Binder for Low Cost SiMicroparticles Anodes in Li-Ion Batteries”发表在Adv. Energ. Mater.上。

【图文导读】

图1.SHP-PEG粘结剂结构及作用机理示意图

a)SHP-PEG粘结剂的化学结构

b)SHP-PEG粘结剂作用机理：i）裂纹附近的粘结剂分子在氢键作用下实现自修复；ii)PEG片段促进Li离子的传导

图2.不同粘结剂下的CV曲线

a) SHP

b) SHP-PEG750(40)

c) SHP-PEG2000(40)

图3.不同粘结剂下的首圈充放电曲线

图4.C/20下首圈循环后电极表面元素分析

图5.不同粘结剂下的倍率性能

图6.不同充放电速率下的充放电曲线

a) Si/SHP/CB

b) Si/SHP-PEG750(40)/CB

c) Si/SHP-PEG2000(40)/CB

图7.不同粘结剂下的循环性能及库伦效率

图8.不同粘结剂下循环150圈后电极截面SEM形貌

a) Si/SHP/CB

b) Si/SHP-PEG750(40)/CB

c) Si/SHP-PEG2000(40)/CB

【结论】

研究人员制备了兼具自修复能力和高Li离子导电性的新型聚合物粘合剂，实现了微米硅电极高容量、优异的循环及倍率性能。该聚合物粘合剂中的氢键不仅能有效地粘附到硅表面，并且可使循环之后产生的裂纹实现自修复。因此即使硅颗粒在循环后严重粉化，电极结构及导电性也可以被维持。此外，聚合物中的PEG基团促进了Li离子传导，减轻了硅颗粒和电解质之间的电荷转移阻力，进而使电极材料呈现出良好的倍率性能。这种兼具自愈能力和高Li离子电导率的聚合物粘合剂同样可以用于其他具有体积膨胀效应的高容量电极材料。

【文献信息】

文献链接：Ionically Conductive Self-Healing Binder for Low Cost SiMicroparticles Anodes in Li-Ion Batteries(Adv. Energ. Mater. ,2018, DOI: 10.1002/aenm.201703138)

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