潘锋团队在锂电池硅基负极导电粘结剂研究取得系统性进展

danjuan

锂离子电池已实现工业量产化，被广泛应用于便携式电子设备、电动车辆等热门行业，寻找和研究高容量的负极材料至关重要。硅（Si）基负极以其巨大的理论比容量1500~4200mAh g-1、储量大等特点成为目前锂离子电池的研究热点。但是其自身的导电性能不佳和电池充放电循环过程中发生的剧烈体积变化（~300%），会导致电极中的导电网络迅速发生不可逆的退化，从而造成巨大的容量损失。通过粘结剂来保持活性物质、导电剂、集流体等之间的有效电接触和维持电极中导电网络的完整性以及充放电循环的稳定性，从而有效地缓解硅基负极容量的快速衰减并延长电池的循环寿命。

图1. 粘结剂构建电极中稳定的导电网络

          北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋团队基于对锂电池硅基负极导电粘结剂取得的系统研究进展（Nano Energy 2017, 36, 206；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1672；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 27795；Small 2021, 17, 2102256；Energy and Environmental Mater. 2021, 0, 1；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100601；Small methods 2022, 6, 2101591）进行总结与展望，以“Establishing a Resilient Conductive Binding Network for Si-based Anodes via Molecular Engineering（通过设计并调控粘结剂的分子结构去构建锂离子电池硅基负极中稳定的导电网络）”为题在Accounts of Chemical Research（Acc. Chem. Res. 2022, 55, 2088−2102）发表。
        团队的重要创新是将导电高分子粘结剂维持稳定的硅负极导电网络策略分为两类：（1）保护一级导电网络，提高整个电极的机械稳定性。这主要是通过粘结剂的机械性能将导电剂（例如碳纳米管和乙炔黑）与硅基颗粒结合构成的宏观尺度上的导电网络，电子的传输通过导电剂与硅基颗粒之间的物理接触形成电子渗流；（2）构建分子尺度的二次导电网络。这主要是利用导电粘结剂与硅基颗粒化学键连接构成界面分子尺度的电子耦合形成微观导电网络，成为硅基活性物质颗粒表面的分子级导电层。从电子传输的角度来看，一级导电网络允许更快的电子流动，二次导电网络是把电子有效地快速地传递到硅基颗粒，从而提升负极的能量密度和功率密度。

图2. 锂离子电池硅基负极中的导电网络

         基于锂电池结构化学和材料基因的思想，团队把粘结剂分子结构中的官能团分为两类：力学结构基元和导电结构基元。力学结构基元是指一些具有极性的官能团（例如-OH、-COOH、-NH2和-CO-NH-）；导电结构基元是指具有电子导电性的共轭官能团（例如-C4H4O2S-、-C16H9、-C13H8-和-C12H8N-），使得所设计的导电粘结剂既具有强粘结的机械性能又具有电子导电性能，从而建立了粘结剂的结构基元与其性质之间的相关性，系统地总结了粘结剂的优化策略和设计原则，达到在硅基负极中实现多维导电网络与电极结构稳定的目的，推动了硅基负极从基础研究走向大规模商业化应用。

图3. 硅基负极粘结剂中具有代表性的力学和导电结构基元

         北京大学深圳研究生院新材料学院博士生陈诗明和宋智博以及硕士生王璐为共同第一作者，潘锋教授和杨卢奕副研究员以及澳大利亚格里菲斯大学张山青教授为共同通信作者。该研究得到国家重点研发计划、广东省自然科学基金和深圳市自然科学基金的资助。


         文章来源:北京大学
        潘锋教授（博导）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,  美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。

kwcha333

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