【引言】

隨著先進材料和全電氣化電動車應用發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；硅材料由于其優異的比容量而成為一種理想的負極材料。在充放電循環過程中，硅負極存在明顯的體積變化導致電極材料破碎并形成不穩定的電極-電解質界面，因而電極的循環壽命受到限制。最近，研究發現電極材料中粘結劑的使用有助于大幅度提高電極的循環壽命，但是傳統的PVDF粘結劑與硅或銅集流體僅依靠微弱的范德華力結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，韓國科學技術院(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上發表文章報道了一種高彈性的粘結劑，通過形成酯鍵使傳統粘結劑PAA與多聚輪烷環組分交聯結合得到具有特殊結構的雙組分PR-PAA粘結劑，很大程度上提高了硅負極在充放電過程中的穩定性。

【圖文簡介】

圖一 SiMP負極PR-PAA粘結劑的應力釋放機理

a) 減小提起物體用力的滑輪機理；

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

c) 充放電過程中PAA-SiMP電極破碎和產生SEI膜的示意圖。

圖二 PR-PAA粘結劑的機械性能

a) 三種典型模型的應力-應變行為；

b) PR-PAA和PAA薄膜應力-應變曲線的對比和PR-PAA粘結劑三個應變點處的網絡結構示意圖；

c) 在不同的應變極限下，PR-PAA 10次拉伸-回復循環的應力-應變曲線。

圖三 使用PR-PAA和PAA粘結劑的SiMP電極電化學性能

a) 兩種粘結劑電極的首次充放電性能測試；

b) 兩種粘結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全電池的循環性能和庫倫效率。

圖四 SiMP負極循環前后的非原位SEM表征

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

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

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