NCM綜述|遼寧科技大學安百鋼教授：鋰離子電池硅（/碳）負極自修復聚合物黏合劑研究進展

硅具有高的理論儲鋰容量（3579mAhg^-1），使其成為高比容量鋰離子電池倍具希望的負極材料。然而，低電導率、嚴重的體積效應和不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）等問題限制了Si負極在鋰離子電池中的應用。近年來，在電極材料設計和電池體系兩個方面已報道了許多有效策略來應對上述挑戰(zhàn)，例如活性顆粒納米化、表面包覆、合金化材料、構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)、構(gòu)建硅碳（Si/C）復合結(jié)構(gòu)以及預鋰化、使用電解液添加劑和功能性黏合劑等（圖1）。

圖1.應對鋰離子電池Si負極體積效應和不穩(wěn)定SEI挑戰(zhàn)的策略

盡管上述策略在提升Si負極的性能方面已展現(xiàn)優(yōu)勢，作為構(gòu)建硅基電極關鍵材料的黏合劑性質(zhì)對鋰離子電池性能影響顯著。自修復聚合物黏合劑利用非共價鍵和可逆共價鍵自主修復Si體積變化而導致的內(nèi)外部損傷以及電極微裂紋，可有效提高鋰離子電池循環(huán)穩(wěn)定性。自修復聚合物用于柔性鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)，可快速修復由于外力作用導致的固態(tài)電解質(zhì)損傷和開裂，為柔性可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展提供了廣闊前景（圖2）。將碳納米材料均勻分散于自修復聚合物中，其在改善Si負極導電性的同時，可在Si體積膨脹和收縮過程中維持電極材料之間的動態(tài)穩(wěn)定界面，有效保持電極結(jié)構(gòu)完整性（圖3）。

圖2.自修復聚合物作為(a,b)鋰離子電池Si負極黏合劑；(c,d)柔性鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)

圖3.(a,b)分散在聚多巴胺(PDA)中的氧化石墨(GO)；(c-e)鋰聚丙烯酸酯(LiPAA)中的碳納米管(CNTs)

近日，遼寧科技大學安百鋼教授課題組在《新型炭材料（中英文）》（New Carbon Materials）上發(fā)表綜述文章“Self-healing polymer binders for the Si and Si/carbon anodes of lithium-ionbatteries”。文章總結(jié)歸納了基于非共價鍵和可逆共價鍵交聯(lián)及自組裝具有自修復性質(zhì)的聚合物黏合劑的合成、表征及在Si（/C）負極的應用與自修復機制。分析了碳質(zhì)納米材料與自修復聚合物復合涂層對于緩沖Si負極體積膨脹應力并有效維持電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要作用。簡要總結(jié)了自修復聚合物在柔性鋰電池固態(tài)電解質(zhì)中的最新應用。最后，對應用于Si（/C）負極自修復聚合物黏合劑面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和設計策略進行了分析和展望。

近年來，自修復聚合物發(fā)展取得了明顯進步，但自修復聚合物作為電池體系黏合劑及其在柔性電池固態(tài)電解質(zhì)中的應用仍處于起步階段。未來的研究可重點參考以下幾個方面。(1)在電極體系中引入自修復組分會影響電池的電化學穩(wěn)定窗口，設計具有較寬電化學穩(wěn)定窗口和高電壓穩(wěn)定的自修復聚合物黏合劑非常必要。(2)大多數(shù)自修復聚合物是離子和電子絕緣的，僅具有自修復能力的聚合物不適合作為電池體系中高性能黏合劑和固態(tài)電解質(zhì)。交聯(lián)或接枝具有鋰離子傳輸和電子導電功能的側(cè)鏈或基團是制備優(yōu)異電化學性能自修復聚合物的有效方法。(3)自修復聚合物黏合劑需要具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，要求自修復聚合物黏合劑在電解液體系中不溶解、不分解，對電解液具有良好的吸收能力。(4)通過理論計算、原位表征技術(shù)等進一步研究自修復聚合物作為鋰離子電池黏合劑和在柔性鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)中應用的自修復機制。

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