仿贻贝新型粘结剂材料助力高容量硅负极

从传统的便携式电子产品到电动汽车和智能电网等新兴领域,锂离子电池正在扮演越来越重要的角色。电动汽车的出现,有望使与能源和环境相关的关键问题得到解决,如大幅减少全球对石油的依赖,减少车辆的二氧化碳排放量,从而缓解温室气体效应。然而,在锂离子电池的实际应用中,仍有一系列问题需要解决,如进一步提高能量密度,循环寿命,功率密度和安全性等。

硅负极的理论能量密度是商业化石墨负极的10倍,如能成功应用于锂离子电池将有望大幅提高锂离子电池的能量密度。然而,嵌锂后接近400%的体积膨胀所产生的应力变化极易破坏电极结构,导致其循环寿命很短,严重制约了其性能发挥。虽然将硅材料纳米化能够减小应力变化,但循环过程中颗粒团聚的问题仍难以避免,也无法改变硅材料体积变化对电极结构的影响,仍然会造成电极在循环过程中的剥落。因此,粘结剂扮演着保持硅电极电极结构稳定,提高电池循环寿命的重要角色。

<img class="alignleft size-medium casino online wp-image-9662″ title=”adma – Copy” online casino src=”https://www.materialsviewschina.com/wp-content/uploads/2013/06/adma-Copy-300×229.jpg” alt=”” width=”300″ height=”229″ />在此背景下,韩国科学家Ryou Myung-Hyun等人注意到即使在湿滑表面上,贻贝也具有优异的粘附能力,研究结果表明是邻苯二酚这种官能团,赋予了这种特殊的耐潮湿附着力。受此启发,该团队利用多巴胺与羧基共轭将邻苯二酚官能团引入聚丙烯酸和海藻酸钠,使其得到了类似贻贝的粘附力,并选择了硅纳米粒子作为活性材料。实验结果表明,与其它现有的粘结剂相比,这种仿贻贝新型粘结剂的粘结力得到极大的增强,有效解决了电极薄膜在循环过程中的剥落问题,显著地提高了硅纳米粒子电极的电池循环性能。邻苯二酚共轭的ALG和PAA 粘结剂粘结力的提高来自于二氧化硅表面羟基和粘结剂羧基间氢键的相互作用以及邻苯二酚与硅纳米粒子表面相互作用的双重机制。电池性能测试发现,经过400次循环后,采用仿贻贝新型粘结剂的电池仍保持其初始容量,并呈现了良好的倍率性能。

这种仿贻贝的具有特殊耐潮湿附着力强粘结剂的成功开发,解决了硅纳米粒子负极在循环过程中从集流体剥落的问题,大幅改善了其循环稳定性,提高了电池寿命,有望大规模应用于具有高能量密度锂离子电池的制造。上述成果发表在Adv. Mater. 2013,25,1571-1576

张 新波 About 张 新波

研究员,博士生导师,中科院“百人计划”入选者;任职于中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室;所在课题组主要从事清洁能源材料和高能化学电源等高效储能基础和应用研究。