丙烯酸系粘结剂在锂离子电池硅基负极中的应用研究

硅基材料因其具有较高的理论比容量和适宜的工作电位而备受研究人员的关 注，被认为是最有希望的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅材料在充放电过 程中会发生巨大的体积膨胀，导致电极结构破碎，大幅度降低了电池的使用寿命。 此外，硅材料较低的电导率和离子扩散率进一步限制了其在锂离子电池中的使用。 尽管粘结剂只占电池极片总质量的小部分，但它对电池性能起着至关重要的作用。 通过对粘结剂进行结构和功能化设计，有望加速硅基材料在锂离子电池中的实际 应用。 在本研究中，针对聚丙烯酸粘结剂的脆性缺点，引入了柔性单体羧基聚乙二 醇丙烯酸酯（CEA），通过自由基共聚反应与丙烯酸共聚，得到一种柔性改性的 聚丙烯酸型粘结剂 P(AA-CEA)。相比于聚丙烯酸粘结剂，P(AA-CEA) 的支链结构 能够在循环过程中缓解体积膨胀带来的机械应力，增强电极结构的稳定性，改善 了硅基材料的循环性能。同时，P(AA-CEA) 支链上的聚醚结构有助于提升锂离子 在硅基材料中的传输速率，降低了电化学反应中的阻抗，提高了电池的倍率性能。 实验结果表明，P(AA-CEA) 具有良好的粘接力，极片剥离强度可达 1.647 N/cm。 P(AA-CEA) 的使用可以在一定程度上承受硅的体积膨胀，维持电极导电网络完整， 有助于形成更为稳定的固体电解质界面。使用 P(AA-CEA) 粘结剂的硅负极半电池 在 0.2 C 下循环 130 圈后，具有 2447 mAh/g 的可逆容量，容量保持率为 81.05%， 首圈库仑效率为 91.30%。 为进一步提升硅基负极材料的电化学性能，引入交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯 进行交联反应，形成一种共价交联型粘结剂 PACE-Cx。PACE-Cx 具有良好的热稳定 性和电化学稳定性，电极浆料表现出良好的分散稳定性和流变行为。研究结果显示， PACE-Cx 的使用可以有效缓解硅基材料的体积膨胀，提高电极的内聚力，减少电极 容量的不可逆损失。SiO@PACE-Cx 电极在 0.2 C 下经过 160 次充放电循环后，充电 比容量保持在 1550 mAh/g 左右，平均库仑效率为 99.85%。NCM811/SiO@PACE-Cx 全电池在 0.2 C 下循环 150 圈后容量保持率为 66.42%。

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