摘要：硅(Si)负极因其具有极高的理论容量约为4200 mAh g-1，低衰减电位(
文章背景
硅(Si)负极因其具有极高的理论容量约为4200 mAh g-1，低衰减电位(
它不仅需要有效地将活性材料固定在集流体上，还需要确保电极的结构稳定。然而传统的非导电粘结剂往往无法提供足够的电子导电性，这限制了电池性能的提升。同时，传统的线性粘结剂在硅负极的充放电过程中难以应对硅颗粒的体积变化，导致电极结构不稳定，从而影响电池的循环寿命和长期稳定性。为了应对这些挑战，开发强大的粘结剂系统是提高硅负极机械完整性和电化学性能的关键策略。
本文提出了一种创新三维交联导电聚噁二唑(POD-c-GL)粘合剂，该粘合剂采用甘油(GL)制成，形成坚固的共价键和氢键网络。这种独特的化学结构不仅增强了附着力和弹性，从而有效消散由Si的体积变化引起的应力，而且还构建了一个坚固的导电框架以促进电子转移。POD-c-GL粘合剂中强共价键和灵活氢键之间的动态相互作用使其在循环过程中具有出色的结构完整性和稳定的固体电解质界面(SEI)。
总之，POD-c-GL粘结剂通过双导电性和交联结构的创新设计，显著提升了硅负极的电化学性能，不仅解决了传统粘结剂无法应对硅膨胀的问题，还为实现高能量密度、长寿命锂电池提供了新的思路和解决方案。该成果以"An Advanced 3D Crosslinked Conductive Binder for Silicon Anodes: Leveraging Glycerol Chemistry for Superior Lithium-Ion Battery Performance "为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊，第一作者是Yuanyuan Yu，通讯作者为四川大学姜猛进教授。
主要内容
图1：Si@LPOD和Si@POD-c-GL电极在循环过程中的形态演变示意图。
图2：电解质溶剂化结构的实验和理论研究。(a) 由LPOD与GL缩合反应形成的交联POD-c-GL粘结剂的示意图。(b) LPOD、GL和POD-c-GL的FTIR光谱。(c) Si、Si/LPOD和Si/POD-c-GL复合材料的FTIR光谱。(d) LPOD和POD-c-GL粘结剂的O 1s XPS光谱。(e) 界面化学键与氢键模拟。(f) 相应的键能值。
图3：(a) 具有不同摩尔分数GL的LPOD和POD-c-GL薄膜的拉伸应力-应变曲线，以及相应的(b) 拉伸强度和(c) 初始模量和断裂伸长率。(d) 具有不同摩尔分数GL的LPOD和POD-c-GL膜的纳米压痕结果以及相应的(e) 弹性模量和维氏硬度。(f) 具有不同粘合剂的电极的180条剥离测试曲线。
图4：(a) 不同温度下POD-c-GL的EIS测试。(b) Li+通过LPOD和POD-c-GL薄膜的活化能。(c) 不同温度下LPOD和POD-c-GL薄膜的离子导电性。(d) LPOD薄膜的CV曲线和(e) POD-c-GL薄膜的CV曲线。(f) 在n掺杂和去掺杂过程中的LPOD和POD-c-GL薄膜的相应颜色变化。(g) EIS图谱、DRT曲线和等效电路模型之间的关系。(h) 未掺杂POD-c-GL的DRT曲线和(i) n掺杂POD-c-GL的DRT曲线。
图5：各种硅电极的电化学性能评估。Si@PAA、Si@LPOD和Si@POD-c-GL电极的(a) 循环性能(在0.6 A g-1下测试)，(b) 倍率性能，(c) 长按性能(在2.0 A g-1下测试)。(d) 不同质量负载下Si@POD-c-GL的面积容量。NCM811||Si@POD-c-GL的电化学性能 (e) 全扣式电池和(f) 全软包电池。(g) 与之前研究中各种先进交联粘结剂的硅基电池电化学性能比较。
结论
总之，本研究成功开发了一种新型的三维交联导电粘结剂，通过将甘油(GL)引入聚噁二唑(LPOD)基体中，形成了一个由共价键和氢键构成的稳固网络。这种先进的粘结剂结构显著增强了硅负极的机械完整性和电化学性能，解决了硅材料在循环过程中由于体积变化和电气隔离性带来的关键挑战。POD-c-GL粘结剂中强共价键和灵活氢键之间的动态相互作用，确保了优异的结构稳定性、高效的应力分散、稳固的电子连接以及稳定的固态电解质界面(SEI)在长时间循环过程中的维持。Si@POD-c-GL负极表现出了卓越的电化学性能，具有较高的初始库仑效率、优异的倍率性能以及出色的循环稳定性，并且具有极低的容量衰减率。这些结果展现了原位交联化学在设计下一代粘结剂中的潜力，为下一代高能量密度电池的开发提供了新的方向。
参考文献
Yu Y, Yang C, Zhu J, et al. An Advanced 3D Crosslinked Conductive Binder for Silicon Anodes: Leveraging Glycerol Chemistry for Superior Lithium‐Ion Battery Performance[J]. Angewandte Chemie International Edition, e202418794.
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来源：丽丽说科学