【研究背景】
硅具有较高的理论比容量(Li22Si5对应4200 mAh g-1)和较低的嵌锂电位(0.4 V v.s. Li/Li+),被认为有望取代石墨而成为下一代高能量密度的锂离子电池负极材料。但是,硅负极在锂化过程中较大的体积变化(体积膨胀率> 300%)导致电极在循环过程中极易出现碎裂、粉化甚至从集流体脱落的现象。通过功能型粘结剂的设计制备是解决这一问题的有效方法,目前的研究成果证明基于具有分子滑轮作用的粘结剂能够增加硅基负极对于充放电过程中体积变化的适应能力,有效改善硅基负极的性能,但是具有较高离子电导率的导离子型粘结剂目前鲜有报道。【工作简介】南京大学张秋红副教授贾叙东教授课题组在分子滑轮材料(Advanced Functional Materials, 2020, 30, 1907139; ACS Materials Letters, 2022, 4, 944-952; Small, 2022, 2200533)和能源聚合物(Advanced Energy Materials, 2021, 2003239;ACS Appl. Polym. Mater., 2021, 3, 6, 3254-3263;Journal of Power Sources, 2022, 537, 231478)领域开展相关研究工作。近日,该课题组结合团队工作特色在单离子型聚合物体系中引入聚轮烷作为滑动交联点,制备了一种具有分子滑轮动态作用的磺酰亚胺锂型聚合物粘结剂(SSIP)。SSIP中P-TFMSI-Li链段具有较强的导离子能力,显著降低了电池内部阻抗,有助于硅负极表面形成稳定的SEI,显著提高电极ICE。SSIP中可逆的分子滑轮作用能够使硅负极较好地适应体积变化,维持电极结构稳定。基于这类粘结剂优异的导离子能力和动态交联特性,硅负极能够在长时间的循环后依然保持较高的比容量。相关研究成果以“Slidable and Highly Ionic Conductive Polymer Binder for High Performance Si Anodes in Lithium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Science上。该课题组蔡一枫博士和硕士生刘彩霞为该论文的共同第一作者,张秋红副教授贾叙东教授为该论文的通讯作者。【文章详情】
1.SSIP的合成及性能表征
图1. SSIP的合成、SSIP和FSIP实物照片、力学性能溶胀性能以及离子电导率
2.Si@SSIP的粘附强度及电化学特性
图2. 基于不同粘结剂的硅负极性能。
3.Si@SSIP的充放电性能
图3. 电极的ICE、循环性能、倍率性能及电极充放电结构变化示意图
4.高负载硅负极的循环性能
图4. H-Si@SSIP和UH-Si@SSIP的电极形貌、ICE和循环性能
5.SSIP和其他粘结剂对比
图5. 基于不同粘结剂的硅负极循环后的面容量和ICE【论文总结】通过在粘结剂中引入磺酰亚胺导离子链段P-TFMSI-Li,有效提高了粘结剂的导离子性能,大幅降低了电池电荷转移阻抗,诱导硅负极表面形成更稳定的SEI,显著提升了电极首圈库仑效率,ICE最高可以达到92.0%。通过在粘结剂结构中引入分子滑轮动态交联作用,能够大幅提升硅负极的循环稳定性和倍率性能,具有分子滑轮作用的Si@SSIP在0.1C下循环100圈后可提供2264 mAh g-1的比容量。在高面容量下H-Si@SSIP和UH-Si@SSIP也表现出较好的ICE和循环性能,对比已报道的粘结剂工作处于较高水平。使用SSIP粘结剂制备的高ICE高面容量硅负极有望应用于锂离子电池以实现全电池更高的能量密度。该工作得到了国家自然科学基金委和中央高校科研业务费的支持。感谢配位化学国家重点实验室和高性能高分子材料与技术教育部重点实验室的大力支持。
文章链接:
https://doi.org/10.1002/advs.202205590来源:高分子科学前沿
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