【引言】

隨著先進材料和全電氣化電動車應(yīng)用發(fā)展對電池需求的提升，鋰離子電池的能量密度也在不斷提高；硅材料由于其優(yōu)異的比容量而成為一種理想的負極材料。在充放電循環(huán)過程中，硅負極存在明顯的體積變化導(dǎo)致電極材料破碎并形成不穩(wěn)定的電極-電解質(zhì)界面，因而電極的循環(huán)壽命受到限制。最近，研究發(fā)現(xiàn)電極材料中粘結(jié)劑的使用有助于大幅度提高電極的循環(huán)壽命，但是傳統(tǒng)的PVDF粘結(jié)劑與硅或銅集流體僅依靠微弱的范德華力結(jié)合而不適用于硅負極材料。

【成果簡介】

北京時間2017年7月21日，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)的Ali Coskun和 Jang Wook Choi(共同通訊)等人以“Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries”為題在Science上發(fā)表文章報道了一種高彈性的粘結(jié)劑，通過形成酯鍵使傳統(tǒng)粘結(jié)劑PAA與多聚輪烷環(huán)組分交聯(lián)結(jié)合得到具有特殊結(jié)構(gòu)的雙組分PR-PAA粘結(jié)劑，很大程度上提高了硅負極在充放電過程中的穩(wěn)定性。

【圖文簡介】

圖一 SiMP負極PR-PAA粘結(jié)劑的應(yīng)力釋放機理

a) 減小提起物體用力的滑輪機理；

b) PR-PAA粘結(jié)劑用于緩解因硅顆粒充放電過程中體積變化而產(chǎn)生的應(yīng)力示意圖；

c) 充放電過程中PAA-SiMP電極破碎和產(chǎn)生SEI膜的示意圖。

圖二 PR-PAA粘結(jié)劑的機械性能

a) 三種典型模型的應(yīng)力-應(yīng)變行為；

b) PR-PAA和PAA薄膜應(yīng)力-應(yīng)變曲線的對比和PR-PAA粘結(jié)劑三個應(yīng)變點處的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；

c) 在不同的應(yīng)變極限下，PR-PAA 10次拉伸-回復(fù)循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖三 使用PR-PAA和PAA粘結(jié)劑的SiMP電極電化學(xué)性能

a) 兩種粘結(jié)劑電極的首次充放電性能測試；

b) 兩種粘結(jié)劑電極的放電容量保持率測試；

c) 在0.2C和0.4C下測試PR-PAA-SiMP電極的放電容量保持率和庫倫效率；

d) 在0.03C下，SiMP-LiNi0.8Co0.15Al0.05O2全電池的首次充放電測試；

e) 在0.2C下，SiMP-LiNi0.8Co0.15Al0.05O2全電池的循環(huán)性能和庫倫效率。

圖四 SiMP負極循環(huán)前后的非原位SEM表征

a,b) PR-PAA-SiMP和PAA-SiMP電極循環(huán)前的截面SEM圖像；

c,d) PR-PAA-SiMP和PAA-SiMP電極循環(huán)10圈后的截面SEM圖像；

e,f) PR-PAA-SiMP和PAA-SiMP電極循環(huán)10圈后的俯視SEM圖像。