西交大金宏、徐慧课题组AS：自调节硅负极的多功能粘结剂设计

第一作者：童乙红

通讯作者：徐慧*，金宏*

单位：西安交通大学苏州研究院，中国科学技术大学纳米学院

硅电极原材料储量丰富，价格低廉，且具有较高的比容量、低工作电压，被认为是最有潜力的锂电负极材料之一。然而，硅负极的实际应用受限于巨大的体积变化（约300%）所导致的活性颗粒粉碎，电接触失效，以及SEI的持续演变等问题。

针对硅负极目前的问题，研究人员从活性材料出发设计了多种硅纳米材料，目前取得了一定的进展。但硅电极性能的整体提升需要综合考虑每一个组分。作为辅助材料的粘结剂在电极体系中含量较低，但在电极稳定性和循环寿命方面具有较为重要的作用。因此，新型功能化粘结剂的开发和设计在硅电极发展过程中意义重大。

基于此，西安交通大学苏州研究院的徐慧、金宏课题组在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“An Energy Dissipative Binder for Self-Tuning Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries”的研究文章。该论文开发了一种具有能量耗散功能和表面稳定效应的粘结剂GCA13，可以有效保持结构的一体化，缓解厚度膨胀和诱导形成兼容的SEI。受益于该粘结剂的优越性能，该电极在低温（-15℃和0℃），室温和高温（60℃）下显示出较好的循环稳定性。

Scheme 1. 多功能粘结剂的工作机理。

与传统的通过长链网络保护硅电极的粘结剂不同，该粘结剂通过结合GG链作为骨架和CA小分子作为接枝，协同设计长程效应（Strong, Li⁺ transport highway）和短程效应（Flexibility, energy dissipation），以构建一个坚固的网络，如Scheme 1所示。在长链瓜尔胶分子上通过弱相互连接引入了具有短程功能的柠檬酸（CA）分子。这种短程作用具有类似于弹簧的功能，可以有效缓冲体积变化引起的硅颗粒粉碎。因此，该电极可以有效地保持结构的一体化，一定程度上抑制电极开裂，并缓解厚度膨胀。

要点二：硅负极在循环过程中通过颗粒重排和自调整实现自修复和应力释放。

GCA13的粘弹性使电极具有结构上的自我调整能力，循环过程中电极体积变化时，硅颗粒可重新排列释放应力和缓解电极的膨胀。在粘合剂网络中丰富的可逆氢键的协同影响下，硅负极显示出优异的自我修复能力，可避免裂缝的持续长大和电极损坏。

要点三：CA-rich coating诱导形成兼容和稳定的SEI。

粘结剂在硅表面形成了一层富含CA的涂层，通过诱导具有适当模量和能量耗散特性的富含LiF的双层SEI，可以抑制电解液的持续分解，有助于保持界面的稳定性。

Tong, Y., Jin, S., Xu, H., Li, J., Kong, Z., Jin, H., Xu, H., An Energy Dissipative Binder for Self-Tuning Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries. Adv. Sci. 2022, 2205443.

徐慧，副研究员：西安交通大学苏州研究院，2010年在英国曼彻斯特大学材料中心获得博士学位。主要研究方向为复合材料的结构功能一体化设计、新能源材料的开发与应用。目前以一作/通讯作者身份在Advanced Science, Energy Storage Materials, InfoMat, ACS Nano, Coordination Chemistry Reviews等国际知名期刊发表电池相关论文多篇。

童乙红：中国科学技术大学纳米学院硕士生，主要研究方向为锂离子电池硅负极粘结剂设计，目前一作在Advanced Science、ACS Applied Energy Materials和CrystEngComm发表研究论文3篇，以共同作者在Ecomat、Electrochimica Acta期刊发表论文2篇。

投稿请联系contact@scimaterials.cn