上圖是聚合物粘合劑網(wǎng)保護(hù)的鋰離子電池中的硅粒子，由于其對(duì)硅陽(yáng)極的穩(wěn)定作用，可以使鋰離子電池實(shí)際運(yùn)用于電動(dòng)汽車與無(wú)人機(jī)等其他先進(jìn)電子應(yīng)用。
在硅電極中添加聚合物粘合劑可以改善鋰離子電池的穩(wěn)定性。
日本研究人員表示，他們改進(jìn)了鋰離子電池硅陽(yáng)極的設(shè)計(jì)，可以提高高能量密度電池的整體壽命，從而可以解決一些目前與儲(chǔ)能電池相關(guān)的限制。
來自日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）的科學(xué)家們已經(jīng)驗(yàn)證了在鋰離子電池硅陽(yáng)極中添加一種特殊的聚合物復(fù)合粘合劑可以明顯提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這使得使用這種材料制成的陽(yáng)極制造的電池壽命更長(zhǎng)，因此能夠滿足電動(dòng)汽車和其他設(shè)備不斷增長(zhǎng)的能源需求。
多年來，鋰離子電池一直是我們使用的大多數(shù)設(shè)備的默認(rèn)配置，但它們的局限性已經(jīng)變得很明顯，尤其是在電動(dòng)汽車上的使用，電動(dòng)汽車需要更多的耐用性、能量密度和整體壽命。
研究人員一直在尋找用于這些電池的替代材料，利用硅代替石墨作為陽(yáng)極是他們一直在尋找的解決方案之一。這是因?yàn)楣韪S富、廉價(jià)，而且比石墨有更高的理論放電容量。
然而，硅陽(yáng)極也存在缺點(diǎn)；尤其是重復(fù)充電與放電會(huì)引起硅粒子的膨脹與破裂，從而在電解質(zhì)和陽(yáng)極之間形成厚的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）。厚固態(tài)電解質(zhì)界面限制鋰離子在電極中的移動(dòng)，進(jìn)而限制了電池的性能以及隨時(shí)間的充放電能力。
粘合劑的應(yīng)用
為了改善鋰離子電池硅陽(yáng)極的性能，由 Noriyoshi Matsumi教授帶領(lǐng)的研究所團(tuán)隊(duì)研發(fā)使用聚合物復(fù)合粘合劑改善陽(yáng)極硅粒子穩(wěn)定性的方法。
研究人員表示，這會(huì)產(chǎn)生一層固態(tài)電解質(zhì)界面，可阻止陽(yáng)極與電解質(zhì)自發(fā)地相互反應(yīng)，但不會(huì)抑制鋰離子流動(dòng)。
具體來說，研究人員使用在復(fù)合粘合劑中使用了聚二亞氨基苯并萘醌（P-BIAN）和含羧酸鹽的聚合物聚（丙烯酸）（PAA），通過氫鍵聯(lián)系在一起。
Matsumi在新聞中聲明，這種設(shè)計(jì)由n型導(dǎo)電聚合物(CPs)和具有氫鍵網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)子提供聚合物組成，代表了“大容量電極材料的一個(gè)有前途的未來”。
事實(shí)上，復(fù)合聚合物結(jié)構(gòu)可將硅粒子固定在一起，防止其破裂，而氫鍵允許結(jié)構(gòu)自我修復(fù)。研究人員表示，這意味著如果聚合物斷裂或降解，它們可以重新附著。
他們補(bǔ)充說，粘結(jié)劑還改善了陽(yáng)極的導(dǎo)電性，同時(shí)通過限制電解液的電解分解保持薄SEI。
改善陽(yáng)極
為了測(cè)試粘合劑，團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)陽(yáng)極半電池，這種半電池是由含石墨的硅納米顆粒（Si/C）、粘合劑（P-BIAN/PAA）與乙炔黑（AB）導(dǎo)電添加劑組成。然后，他們將Si/C/（P-BIAN/PAA）/AB陽(yáng)極進(jìn)行重復(fù)充放電循環(huán)。
在該過程中，粘合劑穩(wěn)定了硅陽(yáng)極，可在超過600次循環(huán)后維持放電容量2100 mAh/g，研究人員將工作論文發(fā)表在《ACS Applied Energy Materials》雜志中。他們表示，相反，裸硅碳陽(yáng)極的容量在90次循環(huán)中下降到600mAh/g。
在測(cè)試陽(yáng)極后，研究團(tuán)隊(duì)將其拆解，并通過光譜儀和顯微鏡對(duì)其進(jìn)行檢查，尋找任何可能因?yàn)楣杵屏讯l(fā)生的裂縫，這在這些陽(yáng)極中很常見。研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過400次循環(huán)后，陽(yáng)極保持了光滑的結(jié)構(gòu)，只有一些微裂紋。他們說，這表明粘結(jié)劑成功地改善了電極的結(jié)構(gòu)完整性。
Matsumi表示，研究結(jié)果總體上證明了硅陽(yáng)極在鋰離子電池中的未來應(yīng)用前景很好，可以優(yōu)化應(yīng)用于電動(dòng)汽車和其他電池驅(qū)動(dòng)的車輛，如高性能無(wú)人機(jī)。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2022.7.5