InfoMat:锂离子电池硅基负极粘结剂研究进展

锂离子电池作为一种高效的储能技术广泛应用于社会和生活的各个领域。近年来,随着新能源汽车及各种高性能便携式电子设备的快速发展,对锂离子电池的能量密度不断提出更高要求。尽管自1991年商业化以来,锂离子电池的能量密度不断增长,但由于其所用碳基负极材料较低的理论比容量(如石墨的理论比容量仅为~372 mAh/g),目前商业化锂离子电池已接近其理论能量密度极限。硅负极具有极高的理论比容量(>3500 mAh/g)、较低的充放电电压平台(<0.5 V vs. Li+/Li)以及非常丰富的地壳储量等优势,被认为是下一代高能量密度锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。但是,硅负极也存在一些固有缺陷限制了其实际应用,硅负极在嵌锂和脱锂过程中会发生较大的体积变化,重复的膨胀和收缩极易导致硅颗粒的破裂和粉化,以及与集流体和导电炭的剥离,此外会导致固体电解质界面膜(solid electrolyte interphase, SEI)的不断破裂和重新生成,造成电解液和活性锂的持续消耗并增加电池内阻,最终造成硅负极的容量快速衰减。为了稳定硅基负极,一方面可以对硅基材料本身进行设计和优化(如碳包覆、微/纳米结构设计等);另一方面,大量研究表明,通过设计先进的聚合物粘结剂可以有效缓解硅基负极的体积膨胀等问题并显著提升其循环稳定性。

近期,中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队,在InfoMat上发表了题为“Advances of polymer binders for silicon‐based anodes in high energy density lithium‐ion batteries”的综述文章。该文首先对高容量硅基负极聚合物粘结剂进行系统归纳和总结,其次探讨了设计合成多功能复合聚合物粘结剂的重要性,最后对未来开发高性能实用性硅基负极粘结剂进行了展望。粘结剂是制作电极必要组分之一,起到将活性材料、导电碳和集流体粘连在一起并保持电极完整的作用,尽管其占比很小(<5%),但是它对于锂离子电池长循环稳定性至关重要。对于传统的石墨负极,因其脱嵌锂体积变化很小(~10%),传统的CMC/SBR或PVDF粘结剂可以满足应用,但是硅基负极脱嵌锂体积变化较大(高达300%),对粘结剂的综合性能(如粘结力、力学性能、导电性、自愈合性能等)提出更高要求。高性能的聚合物粘结剂可以有效抑制硅基负极的体积膨胀,保持电极在循环过程中的导电性和完整性,并显著促进硅基负极的循环稳定性。文章首先对近年来开发的硅基负极粘结剂进行了归纳和总结,根据聚合物的结构不同将其主要分为四大类,即线性、支化、交联和共轭/导电聚合物粘结剂,分别对它们的优缺点进行了讨论,根据其结构和官能团设计,结构和功能演化,以及所用化学和合成方法进行了详细总结。其次,对设计合成具有复合结构和功能的聚合物粘结剂进行了介绍,强调了多功能复合设计对于促进硅基负极实际应用的重要性。最后,尽管大量硅基负极粘结剂已被提出,但市场上负极仍以CMC/SBR粘结剂为主,而硅碳复合负极也只能在掺入少量(<10%)硅材料的情况下能够同时满足能量密度提升和循环稳定性要求。为了促进高容量硅基负极的大规模应用,在未来的粘结剂开发和设计中,以下几方面需要着重考虑:(1)合成简单、成本低、环保,水溶性粘结剂,从而在使用中可以避免使用挥发性、有毒、易燃有机溶剂,是重点开发对象;(2)对于粘结剂的评估要在接近实用的条件下进行;(3)设计的粘结剂不能效耗活性锂,从而影响电池首效;(4)对于硅碳复合材料,要考虑粘结剂对于石墨负极的兼容性;(5)利用先进的原位表征技术或模拟仿真对硅基负极中粘结剂的工作或失效机理进行研究,从而指导未来硅基负极粘结剂设计与合成。该综述文章有助于相关领域内研究者了解硅基负极粘结剂的研究现状和设计原则,此外对于促进开发先进实用性硅基负极粘结剂具有一定借鉴和指导意义。该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12185)上。