NCM綜述|遼寧科技大學安百鋼教授：鋰離子電池硅（/碳）負極自修復聚合物黏合劑研究進展

硅具有高的理論儲鋰容量（3579 mA h g^-1），使其成為高比容量鋰離子電池倍具希望的負極材料。然而，低電導率、嚴重的體積效應和不穩定的固體電解質界面（SEI）等問題限制了 Si 負極在鋰離子電池中的應用。近年來，在電極材料設計和電池體系兩個方面已報道了許多有效策略來應對上述挑戰，例如活性顆粒納米化、表面包覆、合金化材料、構筑核殼結構、構建硅碳（Si/C）復合結構以及預鋰化、使用電解液添加劑和功能性黏合劑等（圖1）。

圖1. 應對鋰離子電池Si負極體積效應和不穩定SEI挑戰的策略

盡管上述策略在提升Si負極的性能方面已展現優勢，作為構建硅基電極關鍵材料的黏合劑性質對鋰離子電池性能影響顯著。自修復聚合物黏合劑利用非共價鍵和可逆共價鍵自主修復?Si 體積變化而導致的內外部損傷以及電極微裂紋，可有效提高鋰離子電池循環穩定性。自修復聚合物用于柔性鋰金屬電池固態電解質，可快速修復由于外力作用導致的固態電解質損傷和開裂，為柔性可穿戴電子產品的發展提供了廣闊前景（圖2）。將碳納米材料均勻分散于自修復聚合物中，其在改善Si負極導電性的同時，可在Si體積膨脹和收縮過程中維持電極材料之間的動態穩定界面，有效保持電極結構完整性（圖3）。

圖2.)自修復聚合物作為(a, b鋰離子電池Si負極黏合劑；(c, d)柔性鋰金屬電池固態電解質

圖3.?(a, b)分散在聚多巴胺(PDA)中的氧化石墨(GO)；(c-e)鋰聚丙烯酸酯(LiPAA)中的碳納米管(CNTs)

近日，遼寧科技大學安百鋼教授課題組在《新型炭材料（中英文）》（New Carbon Materials）上發表綜述文章“Self-healing polymer binders for the Si and Si/carbon anodes of?lithium-ion batteries”。文章總結歸納了基于非共價鍵和可逆共價鍵交聯及自組裝具有自修復性質的聚合物黏合劑的合成、表征及在Si（/C）負極的應用與自修復機制。分析了碳質納米材料與自修復聚合物復合涂層對于緩沖Si負極體積膨脹應力并有效維持電極結構穩定性的重要作用。簡要總結了自修復聚合物在柔性鋰電池固態電解質中的最新應用。最后，對應用于Si（/C）負極自修復聚合物黏合劑面臨的技術挑戰和設計策略進行了分析和展望。

近年來，自修復聚合物發展取得了明顯進步，但自修復聚合物作為電池體系黏合劑及其在柔性電池固態電解質中的應用仍處于起步階段。未來的研究可重點參考以下幾個方面。(1)在電極體系中引入自修復組分會影響電池的電化學穩定窗口，設計具有較寬電化學穩定窗口和高電壓穩定的自修復聚合物黏合劑非常必要。(2)大多數自修復聚合物是離子和電子絕緣的，僅具有自修復能力的聚合物不適合作為電池體系中高性能黏合劑和固態電解質。交聯或接枝具有鋰離子傳輸和電子導電功能的側鏈或基團是制備優異電化學性能自修復聚合物的有效方法。(3)自修復聚合物黏合劑需要具有良好的化學穩定性和熱穩定性，要求自修復聚合物黏合劑在電解液體系中不溶解、不分解，對電解液具有良好的吸收能力。(4)通過理論計算、原位表征技術等進一步研究自修復聚合物作為鋰離子電池黏合劑和在柔性鋰金屬電池固態電解質中應用的自修復機制。

New Carbon Materials文章信息

WU Shuai, DI Fang, ZHENG Jin-gang, ZHAO Hong-wei, ZHANG Han, LI Li-xiang, GENG Xin, SUN Cheng-guo, YANG Hai-ming, ZHOU Wei-min, JU Dong-ying, AN Bai-gang. Self-healing polymer binders for the Si and Si/carbon anodes of lithium-ion batteries[J]. New Carbon Mater, 2022, 37(5): 802-826.

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60638-3

通訊作者簡介

安百鋼，教授，博士生導師，遼寧省特聘教授、遼寧省能源材料與電化學重點實驗室主任。現任遼寧科技大學化工學院院長，兼任Chinese Chemical Letters編委、中國化工學會新材料分會理事、遼寧省化工學會理事。2003年獲天津大學應用化學專業工學博士學位，2007-2009日本東北大學多元物質研究所博士后， 2014美國密西根大學訪問學者。主要從事能源材料與電化學儲能技術、金屬電化學腐蝕和防護研究等工作。獲遼寧省科技進步二等獎1項、冶金礦山協會科技進步獎一等獎1項。在Science, Nature Communications, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A,物理化學學報和新型炭材料期刊等發表論文80余篇。

《新型炭材料（中英文）》??????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

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《新型炭材料（中英文）》公眾號???????????????