【引言】
随着先进材料和全电气化电动车应用发展对电池需求的提升,锂离子电池的能量密度也在不断提高;硅材料由于其优异的比容量而成为一种理想的负极材料。在充放电循环过程中,硅负极存在明显的体积变化导致电极材料破碎并形成不稳定的电极 - 电解质界面,因而电极的循环寿命受到限制。最近,研究发现电极材料中粘结剂的使用有助于大幅度提高电极的循环寿命,但是传统的 PVDF 粘结剂与硅或铜集流体仅依靠微弱的范德华力结合而不适用于硅负极材料。

【成果简介】
北京时间 2017 年 7 月 21 日,韩国科学技术院(KAIST)的 Ali Coskun 和 Jang Wook Choi(共同通讯)等人以“Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries”为题在 Science 上发表文章报道了一种高弹性的粘结剂,通过形成酯键使传统粘结剂 PAA 与多聚轮烷环组分交联结合得到具有特殊结构的双组分 PR-PAA 粘结剂,很大程度上提高了硅负极在充放电过程中的稳定性。

【图文简介】

 


图一 SiMP 负极 PR-PAA 粘结剂的应力释放机理


a) 减小提起物体用力的滑轮机理;

b) PR-PAA 粘结剂用于缓解因硅颗粒充放电过程中体积变化而产生的应力示意图;

c) 充放电过程中 PAA-SiMP 电极破碎和产生 SEI 膜的示意图。

 


图二 PR-PAA 粘结剂的机械性能


a) 三种典型模型的应力 - 应变行为;

b) PR-PAA 和 PAA 薄膜应力 - 应变曲线的对比和 PR-PAA 粘结剂三个应变点处的网络结构示意图;

c) 在不同的应变极限下,PR-PAA 10 次拉伸 - 回复循环的应力 - 应变曲线。

 


图三 使用 PR-PAA 和 PAA 粘结剂的 SiMP 电极电化学性能


a) 两种粘结剂电极的首次充放电性能测试;

b) 两种粘结剂电极的放电容量保持率测试;

c) 在 2C 和 0.4C 下测试 PR-PAA-SiMP 电极的放电容量保持率和库伦效率;

d) 在 03C 下,SiMP-LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 全电池的首次充放电测试;

e) 在 2C 下,SiMP-LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 全电池的循环性能和库伦效率。

 


图四 SiMP 负极循环前后的非原位 SEM 表征


a,b) PR-PAA-SiMP 和 PAA-SiMP 电极循环前的截面 SEM 图像;

c,d) PR-PAA-SiMP 和 PAA-SiMP 电极循环 10 圈后的截面 SEM 图像;

e,f) PR-PAA-SiMP 和 PAA-SiMP 电极循环 10 圈后的俯视 SEM 图像。

文献链接:Highly elastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes in lithium ion batteries (Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal4373)

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