锂离子电池硅负极用复合型水溶性粘结剂的设计及性能研究.pdf

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锂离子电池硅负极用复合型水溶性粘结剂的

设计及性能研究

摘要

现阶段，锂离子电池在电动汽车、便携电子设备等领域具有重要的作用。硅

Si4200mAhg-1

（）由于具有的高理论比容量，因此作为锂离子电池的负极材料

而获得广泛关注。然而，在Si电极进行充放电过程中，锂离子在硅阳极的脱嵌

过程会使得该电极发生剧烈的体积变化而破碎，从而造成锂离子电池性能的下

降。粘结剂作为电极的重要组成，能够有效缓解硅体积的剧烈变化。因此为了进

Si

一步提高电极的结构稳定性，粘结剂的选取尤为重要。传统的聚偏氟乙烯

（PVDF）粘结剂，由于无法与Si颗粒表面形成有力的相互作用，因此无法有效

SiPVDF

地缓解的膨胀，最终使得电极的整体电极结构遭受破坏。除此之外，当

作为粘结剂时，需要具有毒性的N-甲基吡咯烷酮（NMP）做溶剂。综上而言，

Si

设计环保无毒的水系粘结剂用于锂离子电池负极上是一个重要的研究方向。

本文研发了两种粘结剂应用在锂离子电池Si负极中，并显著提升了该电极的循

(1)PTP

环稳定性。我们开发了三聚磷酸钾（）作为一种无机聚合物粘结剂用于

Si负极。PTP具有丰富的P-O官能团，因此它可以与Si表面的羟基（Si-OH）形-

-Si

成强健的离子偶极力，从而减少了在电极中由于颗粒的膨胀造成的导电网络

的破碎。除此之外，PTP作为一种无机低聚物，在水溶液中分散性更好，从而有

SiSi

利于对纳米颗粒的均匀包覆，进而使得电极中的应力分布更加均匀。因而，

−1

以PTP作为粘结剂的纳米Si电极，在运行80圈后的比容量为1739.6mAhg，

98.8%(2)PTP

容量保持率高达。我们基于在第一个体系中使用的无机粘结剂，

通过PTP与Alg之间的交联反应制备了一种复合型网络状型粘结剂（c-PTP-Alg

c-PTP-AlgAlgPTP

粘结剂）。在粘结剂中，海藻酸（）作为粘结剂骨架，弥补了

的短链结构长程机械性能不足的缺点。除此之外，PTP中的P-O可以通过离子--

偶极力与Alg中的-OH/-COOH等极性基团相互作用，从而构建了一种强健的交

联网络来提供丰富的活性位点与Si-OH形成作用。最重要的是，PTP的高度分散

性使得c-PTP-Alg粘结剂中的极性基团得到了充分的利用，因此该质地均匀的网

络粘结剂能够更好地分散Si颗粒产生的应力。在电极的活性物质选择方面，我

SiSi

们选取了微米。尽管微米价格便宜，但是相比较纳米硅，在充放电过程中，

它更容易产生的巨大应力而导致自身的破碎。当PTP与Alg以质量比为3:2构成

c-PTP-Alg3:28084.13%

粘结剂（）时用于硅负极时，对应的电极在圈后仍然取得

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