Page 33 - 《精细化工》2020年第11期

第 11 期 杨纪元，等: 锂离子电池硅负极粘结材料的研究进展 ·2179·

海藻酸盐支链与亲水性的硅颗粒粘结性好。这种双
亲性的粘结剂将导电剂紧密粘结，极大地提高了电
池循环稳定性。电池在 3 C 倍率下经过 300 次循环
后容量保持了初始容量的 84.6%。同样，JEONG 等 [59]
选用天然黄原胶为粘结剂，其侧链上的离子-偶极
子的相互作用，提供了大量硅颗粒、集流体与胶粘剂
之间接触点，制备了与千足虫黏附机理类似的粘结剂。
使用该粘结剂的硅负极电池的库伦效率在 200 次循环
后达到 99.4%。这两种仿生都会大量增加粘结剂与硅
颗粒的接触点，从而增强黏附力。

[61]
图 5 生物仿生 reDNA/ALG 粘结剂的示意图 [58] 图 6 “环滑轮”型粘结剂的作用原理图
Fig. 5 Schematic diagram of biomimetic reDNA/ALG binder [58] Fig. 6 The principle diagram of the "ring pulley" type
[61]
adhesive
CHOI 等 [60] 首次提出了一种以聚乙二醇（PEG）
聚合的线型聚轮烷（PR）链、2-羟丙基功能化的 α-
环糊精（α-CD）环以及传统粘结剂 PAA 组成的复合 4 结语与展望
粘结剂。部分 α-CD 环与 PAA 之间共价键连接，提
尽管硅材料具有极高的理论比容量，但是硅颗
供了粘结性，剩下的自由环在 PR 分子链上自由滑
粒体积膨胀率较大，电池在多次充放电循环后，由
动，可缓解硅颗粒膨胀带来的应变，保持硅颗粒聚
硅颗粒体积膨胀产生的内应力会使电极产生裂解，
合而不分散。这种“滑轮”型粘结剂电极表现出优
硅颗粒从电极上脱落，导致电池容量迅速衰减，这
异的循环性能，循环 50 圈后，库伦效率保持在
极大地限制了硅基负极粘结材料在锂离子电池中的
99.92%以上。为进一步提高电池电化学性能，CHO
等 [61] 在上述粘结剂的基础上，又改性了硅颗粒，使 应用。因此，保持电极完整性是提高锂离子电池电
化学性能的重要手段。而锂离子电池粘结剂是保持
用羟基化芘（PyOH）处理的碳涂层硅颗粒（Py-c-SiO）
电极完整性的关键组分，改善粘结剂的性能对提高
作为硅负极活性物质，碳涂层的包覆作用抑制了硅
锂离子电池的循环寿命和倍率性能有着重要影响。
颗粒的膨胀，而羟基化芘通过 π 键之间的相互作用
受上述启发，为进一步设计制备性能更优异的
堆积在碳层，如图 6a 所示，丰富了碳表层上的羟基，
硅负极粘结剂，可通过以下几种思路改性提升：（1）
提高了碳涂层的表面极性，增强了与 PR-PAA 粘结
增强聚合物分子链极性，在聚合物分子链上引入强
剂的黏附性。超分子聚合物的拉伸性能示意图如图
极性官能团—COOH、—OH、—NH 2 、—CN 等促使
6b 所示。电化学测试结果显示，在 0.5 C 下电池循
环 100 圈后的容量相比初始容量，保持率为 97.6%。 电极组分与粘结剂之间形成氢键、离子键、共价键
从基本的软硬段相济到多功能聚合物的合成，从 等强相互作用力，增强粘结剂的黏附力；（2）制备
简单的线型聚合物到复杂的三维网络交联聚合物，从 多功能复合聚合物，将两种及以上聚合物通过自由
基础的链段结构到高端的生物仿生链结构，研究者 基聚合形成嵌段或接枝聚合物，得到软硬段相济或
们一直在寻找最佳的分子链结构。这也为分子链结 具有多重功能的聚合物粘结剂，提高粘结剂的自身
构设计提供了思路：分子链的结构越复杂，粘结的 性能，减少电极中粘结剂的含量，提高电池的容量；
触点越多且分布越广泛，可以增强黏附性；同时， （3）构建三维网状结构，通过粘结剂分子之间或电
分子链既要有足够的机械性能固定硅颗粒，又要有 极组分之间的相互作用，构成了三维网状结构，提
优异的柔韧性，以灵活适应硅颗粒的体积变化，延 高粘结剂的机械性能，维持电极的稳定性，优化电
长电池使用寿命。 池的循环性能；（4）设计一些特殊功能的链结构，