共价键指导的大容量锂离子电池电极材料的设计

锂离子电池电极一般由导电剂、粘结剂、活性材料组成,自上世纪九十年代索尼公司的第一代锂离子电池问世以来,粘结剂基本采用基于氢键与范德华力作用的聚偏氟乙烯。随着大容量电极材料(如锡、硅等)的采用,这种分子间弱的相互作用力已经不足以在充放电过程中维持整个电极系统的稳定。由于大容量电极材料在充电过程中面临着极为严重的体积膨胀(> 200%),在体积膨胀的过程中,聚偏氟乙烯的强度不足以维持整个电极体系的稳定,最终,整个电极系统将会面临粘结网络坍塌,进而造成容量锐减、使用寿命降低等问题。 

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所靳健研究员课题组着眼于整个电极系统,从电极内各组分间的界面稳定性出发,通过对整个电极系统的一系列设计来解决大容量电极材料的循环稳定性问题。首先,在活性材料表面包裹一层纳米级厚度(~10 nm)的柔性聚多巴胺作为缓冲层,以释放锂离子嵌入所造成的形变压力;其次,采用负压(< 100 pa)下的化学交联反应在缓冲层与粘结剂之间形成共价键,来提高整个电极系统的机械强度。以锡基负极为例,首先制备出蛋白质包裹的二氧化锡纳米粒子,随后,在纳米粒子表面进行聚多巴胺的原位包裹,再与导电剂-炭黑、粘结剂-聚丙烯酸混合制作成电极。通过聚丙烯酸与聚多巴胺之间形成酰胺键,将电极进行原位交联聚合。结果表明,共价键交联的电极比未经过交联的电极的机械强度提高了近70 %,电极的循环稳定性也得到极大提升。对循环后的电极进行表征,进一步证实了共价键在电极充放电过程中所起到的提高电极稳定性的关键作用。

本研究区别于传统的通过控制活性材料形貌提升大容量锂离子电池电极循环性能的方法,着眼于电极内各组分间的界面稳定性的提升,首次在电极系统中引入了共价键,来改善原先基于氢键或范德华力的弱相互作用力的不足,提升整个电极的稳定性。本研究所采用的方法具有良好的普适性,并适用于大批量制备,为次世代大容量锂离子电池的设计与应用提供了一个新的思路。