NCM综述|辽宁科技大学安百钢教授：锂离子电池硅（/碳）负极自修复聚合物黏合剂研究进展

硅具有高的理论储锂容量（3579 mA h g^-1），使其成为高比容量锂离子电池倍具希望的负极材料。然而，低电导率、严重的体积效应和不稳定的固体电解质界面（SEI）等问题限制了 Si 负极在锂离子电池中的应用。近年来，在电极材料设计和电池体系两个方面已报道了许多有效策略来应对上述挑战，例如活性颗粒纳米化、表面包覆、合金化材料、构筑核壳结构、构建硅碳（Si/C）复合结构以及预锂化、使用电解液添加剂和功能性黏合剂等（图1）。

图1. 应对锂离子电池Si负极体积效应和不稳定SEI挑战的策略

尽管上述策略在提升Si负极的性能方面已展现优势，作为构建硅基电极关键材料的黏合剂性质对锂离子电池性能影响显著。自修复聚合物黏合剂利用非共价键和可逆共价键自主修复 Si 体积变化而导致的内外部损伤以及电极微裂纹，可有效提高锂离子电池循环稳定性。自修复聚合物用于柔性锂金属电池固态电解质，可快速修复由于外力作用导致的固态电解质损伤和开裂，为柔性可穿戴电子产品的发展提供了广阔前景（图2）。将碳纳米材料均匀分散于自修复聚合物中，其在改善Si负极导电性的同时，可在Si体积膨胀和收缩过程中维持电极材料之间的动态稳定界面，有效保持电极结构完整性（图3）。

图2.)自修复聚合物作为(a, b锂离子电池Si负极黏合剂；(c, d)柔性锂金属电池固态电解质

图3. (a, b)分散在聚多巴胺(PDA)中的氧化石墨(GO)；(c-e)锂聚丙烯酸酯(LiPAA)中的碳纳米管(CNTs)

近日，辽宁科技大学安百钢教授课题组在《新型炭材料（中英文）》（New Carbon Materials）上发表综述文章“Self-healing polymer binders for the Si and Si/carbon anodes of lithium-ion batteries”。文章总结归纳了基于非共价键和可逆共价键交联及自组装具有自修复性质的聚合物黏合剂的合成、表征及在Si（/C）负极的应用与自修复机制。分析了碳质纳米材料与自修复聚合物复合涂层对于缓冲Si负极体积膨胀应力并有效维持电极结构稳定性的重要作用。简要总结了自修复聚合物在柔性锂电池固态电解质中的最新应用。最后，对应用于Si（/C）负极自修复聚合物黏合剂面临的技术挑战和设计策略进行了分析和展望。

近年来，自修复聚合物发展取得了明显进步，但自修复聚合物作为电池体系黏合剂及其在柔性电池固态电解质中的应用仍处于起步阶段。未来的研究可重点参考以下几个方面。(1)在电极体系中引入自修复组分会影响电池的电化学稳定窗口，设计具有较宽电化学稳定窗口和高电压稳定的自修复聚合物黏合剂非常必要。(2)大多数自修复聚合物是离子和电子绝缘的，仅具有自修复能力的聚合物不适合作为电池体系中高性能黏合剂和固态电解质。交联或接枝具有锂离子传输和电子导电功能的侧链或基团是制备优异电化学性能自修复聚合物的有效方法。(3)自修复聚合物黏合剂需要具有良好的化学稳定性和热稳定性，要求自修复聚合物黏合剂在电解液体系中不溶解、不分解，对电解液具有良好的吸收能力。(4)通过理论计算、原位表征技术等进一步研究自修复聚合物作为锂离子电池黏合剂和在柔性锂金属电池固态电解质中应用的自修复机制。

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

通讯作者简介

安百钢，教授，博士生导师，辽宁省特聘教授、辽宁省能源材料与电化学重点实验室主任。现任辽宁科技大学化工学院院长，兼任Chinese Chemical Letters编委、中国化工学会新材料分会理事、辽宁省化工学会理事。2003年获天津大学应用化学专业工学博士学位，2007-2009日本东北大学多元物质研究所博士后， 2014美国密西根大学访问学者。主要从事能源材料与电化学储能技术、金属电化学腐蚀和防护研究等工作。获辽宁省科技进步二等奖1项、冶金矿山协会科技进步奖一等奖1项。在Science, Nature Communications, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A,物理化学学报和新型炭材料期刊等发表论文80余篇。

《新型炭材料（中英文）》      

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影响因子：3.7（2021年度）

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