黄玉代教授、丁娟副教授，ESM：具有多重键相互作用的仿生粘合剂能够耗散应力，从而稳定锂离子电池的电极结构

第一作者：李文一

通讯作者：黄玉代*，丁娟*

单位：新疆大学

锂离子电池SiO负极充放电过程中反复剧烈的体积变化与较差的Li⁺扩散动力学，导致传统粘结剂无法有效耗散应力，引发电极碎裂、容量衰减，制约其实际应用。本文受动脉壁结构启发，设计兼具高力学强度与自修复性能的TA-PC粘结剂：通过动态氢键（模拟弹性蛋白纤维）与共价交联（模拟胶原纤维）构建双网络结构，氢键位点实现应力耗散与自主修复，共价网络保障力学稳定性，协同提升电极抗损伤能力与结构完整性；其富阴离子基团电离能力及P-O键孤对电子，同步强化Li⁺扩散动力学，从而实现好的SiO负极循环性能。

近日，新疆大学黄玉代教授与丁娟副教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Bio-inspired binder with multi-bond interactions for stress dissipation enables stabilization of electrode structure in lithium-ion batteries”的观点文章。本文受动脉壁结构启发，通过木薯淀粉（TA）与植酸（PC）化学交联开发出高力学性能自修复TA-PC粘结剂。动脉壁胶原纤维与弹性纤维适配心脏搏动的结构特性，为粘结剂设计提供灵感：TA-PC中多重氢键供体/受体模拟弹性蛋白，作为动态自修复位点耗散应力并修复裂纹；TA-PC的共价交联模拟胶原纤维，提供持久力学强度与粘结力维持结构完整，有效缓解SiO嵌脱锂时的巨大应力。同时，PO₄^3-的静电作用加速Li⁺扩散，P-O 键高电子密度（-2.36 eV）促进 Li⁺吸附，提升反应动力学。性能测试显示：TA-PC修饰 SiO负极在1 A g⁻¹下循环400次容量达 1037 mAh g⁻¹。此外，用该粘结剂的NCM811正极与SiO负极组成的全电池，100次循环后容量保持168.1 mAh g⁻¹，展现出较好的实用性。

TA-PC粘结剂中多重氢键的形成及作用是核心特征。TA与PC间存在显著的多重氢键作用，相较单一TA粘结剂，这种氢键作用大幅增强了分子间结合力。PC所含的PO₄³⁻基团具有丰富氢键受体，其P-O基团的吸电子效应提升了氧原子电子云密度并使其带部分负电荷，能与氢键供体的H原子形成更强静电吸引，诱导形成优势强氢键。TA-PC与SiO界面同样存在强氢键作用，这种氢键可协同共价交联重构Si-O框架，不仅提升了界面相容性与材料稳定性，更进一步强化了整体结合效果。电子结构分析证实，TA-PC所含氢键类型丰富多样，远多于TA粘结剂的氢键类型。更强的氢键结合能力赋予TA-PC更优异的自修复性能，能在电极循环过程中有效耗散应力，缓解应力累积导致的电极损伤，同时配合键能优势带来的力学强度提升，共同保障电极结构完整性。

通过多维度表征共同证实了TA-PC粘结剂的成功构建及其性能特征。流变仪与循环拉伸测试结果表明材料具有优异的弹性恢复能力。而纳米压痕，AFM和180°剥离曲线则共同构成了TA-PC力学性能提升的证据链。

TA-PC/SiO电极的电化学性能显著优于TA/SiO：其初始库仑效率更高，在不同电流密度下均展现出更优的倍率性能，高电流下容量衰减更慢。倍率循环后表征发现，TA-PC 的共价键结构保持稳定，氢键网络因O-P=O基团吸电子效应进一步强化，“类动脉壁”结构赋予SiO负极优异循环稳定性。通过调控TA与PC质量比实现性能优化，最优比例下电极在1 A g⁻¹循环400次后放电容量保持率高，在0.5 A g⁻¹、5.0 A g⁻¹ 等电流下均保持出色循环稳定性，其多键协同的“动脉壁”仿生结构，通过强化自修复能力与力学性能，最终实现电极电化学性能的全面提升。

100 次循环后 F 1s 深度剖析显示，TA/SiO 电极的 LiF 信号随溅射深度增加显著减弱且结合能偏移，表明氟分布不均、化学环境不稳定；而TA-PC/SiO的LiF强度与峰位沿深度方向基本不变，形成均匀稳定、更薄更致密的SEI膜。O 1s谱进一步证实：TA-PC/SiO全深度保持稳定C-O键结构，TA/SiO则因电解液严重分解出现峰宽化与偏移，导致结构不均并阻碍Li⁺均匀扩散。20 次循环后 AFM-QNM 分析表明，TA-PC/SiO 的模量（3.0 GPa）高于 TA/SiO（2.7 GPa），表面粗糙度（26.6 nm）远低于 TA/SiO（72.8 nm），抗应力冲击能力更优；能量耗散曲线显示 TA-PC 粘结剂循环应力耗散能力更强。这源于其多重氢键与共价键构建的网络，可实现应力均匀分布与有效耗散。有限元模拟验证：TA-PC的P-O键增强Li⁺吸附与均匀存储，动态键网络释放机械应力；即使在 Li₂₂Si₅高嵌锂态，TA-PC/SiO 应力分布均匀且数值低（23.1 kN m⁻²），而 TA/SiO 出现显著应力集中（46.9 kN m⁻²），大幅提升活性物质粉化风险。

TA-PC粘结剂显著提升NCM811力学性能，抑制析氧及晶间开裂；适配LRMNO时循环稳定性优异，1C循环400次容量保持率100%。全电池TA-PC/SiO||TA-PC/NCM811中TA-PC实现正负极双适配，初始库仑效率87.68%，0.5C循环100次容量可达168.1 mAh g⁻¹，容量保持率91.8%，性能远超传统粘结剂体系。

Bio-inspired binder with multi-bond interactions for stress dissipation enables stabilization of electrode structure in lithium-ion batteries

黄玉代，博士，二级教授，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，新疆“天山英才-科技创新领军人才”。主要从事电化学、材料物理与化学等方面的研究工作。主持省部级以上科研项目30余项，其中包括国家自然科学基金项目7项，教育部新世纪优秀人才支持计划和新疆自然科学基金重点项目等，在Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Nano-Micro Lett.，Energy Storage Mater.，Adv. Funct. Mater.，Appl. Catal. B，Adv. Powder Mater. 等刊物上发表SCI收录的学术论文150余篇，研究成果分别获新疆自然科学奖一等奖（排名第一），新疆科技进步奖一等奖（排名第二），中国产学研合作创新奖等多项奖励。

第一作者 李文一，新疆大学博士生，师从黄玉代教授，主要从事锂离子电池SiO负极改性的研究工作。