青科大王庆富教授团队 ACS AMI：环氧化天然橡胶/甘氨酸改性聚丙烯酸交联网络粘合剂构建超循环稳定的锂离子电池Si负极

2022-07-29 来源：高分子科技

随着新能源汽车的快速发展以及传统化石资源的日趋枯竭，人们对于高比容量锂离子电池的需求日益增加。硅(Si)以其高比容量(4200mAh g^-1)以及含量丰富等优势成为了下一代锂离子电池潜在负极材料，但是Si在电池充放电的过程中存在着巨大的体积膨胀(>300%)，这会导致电极材料的粉化、脱落，影响电池的循环稳定性。为了解决上述问题，研究人员们采取了制备Si纳米材料与Si基复合材料，开发新型粘合剂等一系列措施。其中新型粘合剂的开发由于经济简单易于产业化吸引了大量科研人员的关注。粘合剂作为电极的组成部分之一，在维持电极结构完整与改善电极的循环稳定性上起着至关重要的作用，如何选取适合的粘合剂组分并且合理设计粘合剂的结构成为了当前科学家们的研究重点。

图1. (a) PAG/ENR水系粘合剂的合成工艺示意图, (b) PAA粘合剂和PAG/ENR粘合剂的工作机理

近期，青岛科技大学王庆富教授团队研究了一种环氧化天然橡胶(ENR)/甘氨酰胺盐酸盐改性聚丙烯酸(PAG)交联网络粘合剂，结合极性基团之间的氢键作用以及共价键反应，按照预先设计的双交联网络结构，构建了一种环保高效的应用于锂离子电池Si负极的水系粘合剂，其反应机理及结构如图2所示。由于伯胺基团与环氧基团的高反应活性，使得ENR的环氧基团与PAG的伯氨基团在较为温和条件下进行反应，产生共价交联，反应生成的羟基又能与PAG中剩余的羧基生成氢键，从而形成双交联网络结构，以此作为Si阳极的骨架材料，包覆在Si颗粒周围，抑制其膨胀。同时，在该粘合剂体系中，粘合剂中的羧基和羟基可以与Si颗粒表面的含氧官能团形成氢键，可以对Si起到很好的固定作用。此外，在Si体积膨胀过程中ENR自身的弹性能够可逆拉伸与收缩，同样可以给Si提供一个反向的抑制力，实验结果表明这项研究工作制备的粘合剂能够有效改善Si电极的电化学性能(图3)与界面稳定性(图4)，为锂离子电池Si负极粘合剂的开发提供了一种新的思路。该工作以“Synergistic Double Cross-Linked Dynamic Network of Epoxidized Natural Rubber/Glycinamide Modified Polyacrylic Acid for Silicon Anode in Lithium Ion Battery: High Peel Strength and Super Cycle Stability”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。该研究得到科技部国际合作项目、山东省优秀青年基金和山东省青创人才团队计划的支持。

图2. 反应机理和材料结构表征。(a) 天然橡胶的环氧功能化，(b) ENR和NR的¹H NMR，(c) ENR和NR的¹³C NMR，(d) PAA的改性，(e) PAG、GA和PAA的¹H NMR，(f) PAG、GA和PAA的¹³C NMR，(g) PAG-ENR 粘合剂的交联机理，(h) PE55、PAG、ENR的FTIR 吸收光谱

图3. 不同电极的电化学数据。(a) 首次充放电曲线，(b) 1A g^-1电流密度下的循环充放电行为，(c) 倍率性能，(d) PE55电极的循环伏安曲线。

图4. 不同电极循环前后的表面SEM图.循环前的(a)PAA;(c)PE73;(e)PE55;(g)PE37电极;在1A g^-1的电流密度下循环100次后的(b)PAA;(d)PE73;(f)PE55;(h)PE37电极

该工作是团队近期关于锂离子电池Si负极粘合剂相关研究的最新进展之一。Si负极的体积膨胀问题往往给Si负极的进一步开发应用带来极大困扰。为此团队制备了一系列双交联网络粘合剂，以共价键和氢键共同来抑制适应Si的体积膨胀，以此来改善Si的循环稳定性，延长电极的循环寿命。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c08038

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻