斯坦福崔屹＆鮑哲楠Adv.Energ.Mater.：高離子導電性自修復粘結劑用於鋰電硅負極

【引言】

硅(Si)由於具有極高的理論容量（3579mAh g-1）、低放電電壓、儲量大及環境友好等優點，被認為是最具前景的鋰離子電池負極材料之一。然而在充放電過程中，硅負極伴隨著巨大的體積變化（300%~400%），導致電極結構崩塌和活性材料的剝落，進而使電極失去電接觸，同時不穩定的電極/電解質界面加劇了電極與電解質間副反應的發生。該問題的存在導致電極容量大幅下降，嚴重抑制了硅負極材料的發展。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學崔屹教授和鮑哲楠教授（共同通訊作者）帶領的團隊針對硅負極材料粉化帶來的電極失效及與電解質發生副反應等問題，設計了一種新型聚合物粘合劑，實現了電極材料高容量，優異的循環及倍率性能。在該工作中，研究人員將聚乙二醇（PEG）基團引入自修復高分子材料（SHP）中，並將得到的新型聚合物作為微米硅負極的粘結劑使用。 該SHP-PEG粘合劑將SHP的自修復能力和PEG的Li離子傳導能力結合起來，使微米硅顆粒和電解質之間的界面得到有效改善。得益於粘合劑的自癒合能力和高離子導電性，硅顆粒在多次循環後仍能保持導電性，同時電極與電解質間的副反應受到了有效抑制。此外，硅顆粒和電解質間高效的Li離子電荷轉移能力,使電極材料展現出了優異速率性能。該成果以題為「Ionically Conductive Self-Healing Binder for Low Cost SiMicroparticles Anodes in Li-Ion Batteries」發表在Adv. Energ. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.SHP-PEG粘結劑結構及作用機理示意圖

a)SHP-PEG粘結劑的化學結構

b)SHP-PEG粘結劑作用機理：i）裂紋附近的粘結劑分子在氫鍵作用下實現自修復；ii)PEG片段促進Li離子的傳導

圖2.不同粘結劑下的CV曲線

a) SHP

b) SHP-PEG750(40)

c) SHP-PEG2000(40)

圖3.不同粘結劑下的首圈充放電曲線

圖4.C/20下首圈循環後電極表面元素分析

圖5.不同粘結劑下的倍率性能

圖6.不同充放電速率下的充放電曲線

a) Si/SHP/CB

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

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

圖7.不同粘結劑下的循環性能及庫倫效率

圖8.不同粘結劑下循環150圈後電極截面SEM形貌

a) Si/SHP/CB

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

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

【結論】

研究人員製備了兼具自修復能力和高Li離子導電性的新型聚合物粘合劑，實現了微米硅電極高容量、優異的循環及倍率性能。該聚合物粘合劑中的氫鍵不僅能有效地粘附到硅表面，並且可使循環之後產生的裂紋實現自修復。因此即使硅顆粒在循環後嚴重粉化，電極結構及導電性也可以被維持。此外，聚合物中的PEG基團促進了Li離子傳導，減輕了硅顆粒和電解質之間的電荷轉移阻力，進而使電極材料呈現出良好的倍率性能。這種兼具自愈能力和高Li離子電導率的聚合物粘合劑同樣可以用於其他具有體積膨脹效應的高容量電極材料。

文獻鏈接：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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