在鋰離子電池中，硅（Si）被認為是最有前景的陽極材料。然而，在充放電循環(huán)期間劇烈的體積變化，導致不穩(wěn)定的固體電解質界面（SEI）以及差的循環(huán)穩(wěn)定性。為了改善硅（Si）的循環(huán)穩(wěn)定性，研究人員采取了一系列措施，如：多孔結構化、納米結構化以及分層結構化。盡管如此，一些技術挑戰(zhàn)仍然限制了其商業(yè)化。設計并合成的水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），具有更好的電解質潤濕性，另外，其多重網(wǎng)絡結構緩沖了Si微粒（Si-MP）體積變化引起的應變。因而，顯著提高了循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。因此本文設計并合成了一種新的粘結劑，為了Si負極在充放電過程的結構轉變提供了解決方案。
近日，上海交通大學王久林副教授和楊軍教授（通訊作者）等人，設計并合成了水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），顯著提高了電極的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。并在Joule上發(fā)表了題為“Silicon Microparticle Anodes with Self-Healing Multiple Network Binder”的文章。上述溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA）），其多重的網(wǎng)絡結構由剛柔結合的鏈和鍵組成，并且在電極中具有特殊的自愈能力，不僅提供了足夠的機械支撐，而且緩沖了由Si-MP的體積變化引起的應變。這項工作為提高電極循環(huán)穩(wěn)定性和促進Si陽極商業(yè)化開辟了新的途徑。
圖1粘結劑的組成與表征
（A）共聚物的結構式及其與Si的相互作用示意圖；（B）P（HEA-co-DMA）和PAA的化學結構及其復合物的彈簧膨脹劑模型示意圖；（C）PAA，P（HEA-co-DMA）及其混合物的衰減全反射-FTIR光譜圖；（D）0.2mV·s-1下， PAA-P（HEA-co-DMA）：Super P = 1：1組成的電極CV曲線圖。
圖2不同粘結劑的SiMP電極的電化學性能
（A）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA循環(huán)性能圖；（B）PAA-P（HEA-co-DMA）長期循環(huán)性能圖；（C）不同面積質量載荷的循環(huán)性能圖；（D）PAA-P（HEA-co-DMA）和PAA倍率性能圖；（E）高電流密度下PAA-P（HEA-co-DMA）的循環(huán)性能圖；（F）Si-MP-NCM全電池的循環(huán)性能以及庫倫效率圖。
圖3 Si-MP電極循環(huán)前后的SEM圖像
（A）循環(huán)前使用PAA粘結劑SEM圖；（B）循環(huán)前使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑SEM圖；（C）和（E）循環(huán)100圈后使用PAA粘結劑SEM圖；（D）和（F）循環(huán)100圈后使用PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑SEM圖。
圖4 PAA-P（HEA-co-DMA）粘合劑的作用機理
（A）PAA-P（HEA-co-DMA）膜（42.9 Ω）和PAA膜（50.0 Ω）上LiPF6/EC-DMC-FEC電解質的接觸角圖；（B）PAA-P（HEA-co-DMA）（紅色）和PAA（黑色）線性擬合陽極和陰極峰值電流與Si-MP電極的掃描速率。（C）PAA-P（HEA-co-DMA）粘結劑交流阻抗圖；（D）PAA粘合劑交流阻抗圖。
圖5不同粘合劑的Si-MP負極的示意圖
（A）原始電極的示意圖；（B）第1次鋰化后的示意圖；（C）循環(huán)過后的示意圖；（D）是C中紅圈的放大圖。
本文提出了一種新的水溶性聚合物粘合劑（PAA-P（HEA-co-DMA））的合成方法。該粘合劑具有自修復多重網(wǎng)絡結構，能夠緩沖Si微粒（Si-MP）體積變化引起的應變，使得電極材料實現(xiàn)卓越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這項研究不僅有助于為下一代低成本和高能量存儲系統(tǒng)構建穩(wěn)定的Si-MP陽極，而且為設計用于其他高容量電極的粘結劑設計了一種新的方式。
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