正负极粘结剂产业化研究进展-2- 大数跨境

科技写作沙龙

2025-02-26

粘结剂是锂电池的重要组成部分，直接影响电池的导电性、稳定性和能量密度。随着新能源对能量密度要求的提高，传统粘结剂已无法满足需求，亟需高性能的新型粘结剂。固态电池和硅基材料是下一代电池技术的重要方向，而粘结剂在这些领域也具有重要的应用潜力，通过粘结剂的链接作用，强化各类界面的机械应力和功能性。

中科院刘俊昊博士，公旭中博士提供了一种简单而有效的策略，可以缓解锂离子电池硅负极体积膨胀的重大挑战。为了提高硅负极的循环寿命，使用羧甲基纤维素、植酸和吡咯设计合成了交联粘合剂羧甲基纤维素-植酸-吡咯（CMC-DP）。植酸中的众多羟基为氢键和酯键的形成提供了丰富的结合位点。氢键和共价键的形成增强了胶粘剂的机械性能。粘合剂中的氨基与硅颗粒形成 N单键Si单键O 共价键，而羟基和羧基形成单键（COO）2Cu 和单键（OH）2铜配位与铜箔结合，增强界面附着力。当 CMC-DP10 （10 μL 吡咯）粘合剂应用于硅纳米颗粒（∼30 nm）时，电极的比容量在 500 后可以保持在 1700 mAh/g 左右，而 CMC 粘合剂在相同条件下仅达到 ∼100 mAh/g。这项工作表明，CMC-DP 粘合剂对硅纳米颗粒和铜箔都表现出很强的粘附力。

该成果以Cooperation of covalent bonds and coordinative bonds stabilizing the Si-binder-Cu interfaces for extending lifespan of silicon anodes为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》期刊。

图 1：（a） CMC-DP 合成过程示意图；（b）在硅阳极和铜箔之间起作用的粘合剂 CMC-DP 粘合剂的示意图。

图 2.三维交联粘合剂 CMC-DP 的设计和表征。（a） Si 和 Si@CMC-DP 的 O 1s XPS 谱图。（b） Si 和 Si@CMC-DP 的 Si 2p XPS 谱图。（c） Cu 和 Cu@CMC-DP 的 Cu 2p XPS 谱图。（d） Si 和 Si@CMC-DP 的 N 1s XPS 谱图。（e）粘合剂 CMC 、 CMC-DP10 、 CMC-DP50 和 CMC-DP100 的 FTIR 光谱。（f）通过 DFT 计算得到的羧甲基纤维素、植酸、聚吡咯的表面静电电位分布。

图3.粘合剂物理性质的表征。交联粘合剂 CMC-DP10、CMC-DP50 和 CMC-DP100 的（a）粘度，（b）损耗因子，以及（c）储存模量和损耗模量。（d） 180° 剥离力测试，（e）纳米压痕测试，以及（f） Si@CMC 和 Si@CMC-DP10 阳极的弹性模量和硬度测试。（g） Si @CMC 和（h） Si@CMC-DP10 负极的原始表面 SEM 图像。（i） Si@CMC-DP10 阳极的 EDS 光谱。

图 4.样品的电化学性能分析。（a）使用交联粘合剂 CMC-DP10 的 Si 阳极的循环伏安法。（b） 0.2 A/g 下的循环性能，（c）放电/充电曲线，（d） 1.0 A/g 时的循环性能，（e）倍率能力，以及（f）使用交联粘合剂 CMC-DP10、CMC-DP50 和 CMC-DP100 的硅负极的电子电导率。（g） Si@CMC-DP10 与以前报道中的其他 Si 粘合剂负极的容量比较。

图 5.（a）原始表面，（b）循环表面，（c） Si@CMC阳极的循环横截面的 SEM 图像。Si@CMC-DP10 阳极的（d）原始表面，（e）循环表面，（f）循环横截面的 SEM 图像。（g） Si@CMC 和 Si@CMC-DP 负极的锂化/去锂化过程示意图。

结论：三维交联粘合剂 CMC-DP 旨在通过多种键合相互作用（包括氢键、酯键和配位键）来提高硅负极的结构稳定性和循环寿命。植酸中丰富的羟基为这些相互作用提供了结合位点，而酰胺键和酯键则显著增强了粘合剂的机械稳定性，确保循环过程中电极的完整性。此外，羟基、氨基和羧基等官能团与硅颗粒和铜箔形成强键，有效减轻硅体积变化引起的应力。这种设计使 Si@CMC-DP10 阳极能够提供约 1700 mAh g 的稳定比容量−1在 1.0 A g 下循环 500 次后−1.此外，Si@CMC-DP10 阳极在 1.0 A g 下循环后仍保留 99.4% 的容量，表现出优异的倍率能力−1，一旦电流密度恢复到 0.1 A g−1.这些结果突出了这种粘合剂系统在显着提高硅负极电化学性能方面的潜力，为推进储能应用的锂离子电池技术提供了一种实用且可扩展的策略。