新疆大学潘安强教授团队AFM：通过功能性导电粘合剂实现的具有稳固SEI形成的增强硅阳极

第一作者：Benqiang Chen

通讯作者：潘安强

通讯单位：新疆大学

论文DOI：10.1002/adfm.202401794

研究背景

随着便携电子设备和电动汽车的发展，对高能量密度和长循环寿命的锂离子电池（LIBs）的需求日益增加。硅（Si）基材料作为负极材料具有极高的理论比容量（4200 mAh g−1），相比传统的石墨负极（372 mAh g−1），硅基材料被认为是下一代锂离子电池的理想选择。然而，硅在充放电过程中会经历超过300%的体积变化，导致材料粉碎、导电性降低、固体电解质界面（SEI）层的重复生成以及容量的快速衰减。因此，如何有效地缓解硅的体积膨胀并保持其电化学性能是目前硅基负极研究的重点。

内容简介

本文提出了一种基于功能性导电粘结剂增强硅负极稳定性的方法。研究中采用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT）、柠檬酸（CA）和异丙醇（IPA）作为导电聚合物粘结剂，通过形成多功能结合位点的三维机械网络，大大提高了硅基复合材料的机械强度和电导率。同时，柠檬酸能够在硅颗粒表面快速形成稳定的SEI层，从而增强材料的结构稳定性。电化学测试结果显示，Si@PP@CA复合电极在200次循环后仍能保持超过2200 mAh g−1的容量，在1.0 A g−1的电流密度下循环2000次后容量保持率高达89%。

图文导读

展示了基于PEDOT和柠檬酸的功能性导电粘结剂增强硅稳定性的机制。经过IPA和CA处理后，PEDOT从螺旋构象转变为线性构象，显著提高了电导率。PSS、柠檬酸和硅颗粒相互交联，形成了具有良好机械性能和自我修复特性的三维机械网络。

展示了Si@PP@CA复合材料的扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，以及相应的能量色散X射线谱（EDS）元素分布图。结果表明，硅颗粒被厚度约为5.5 nm的导电聚合物均匀包覆，形成了稳定的三维导电网络。

展示了Si@PP@CA、Si@PP和Si@CMC@SP的X射线衍射（XRD）图谱、X射线光电子能谱（XPS）图谱、高分辨XPS谱图（C 1s、Si 2p和O 1s）以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）图谱。结果表明，Si@PP@CA中各组分通过化学键形成了稳定的复合结构，有助于提高材料的电化学性能。

展示了基于Si@PP@CA电池的电化学性能，包括循环伏安法（CV）曲线、电导率、阻抗谱（EIS）、首次充放电曲线、初始库仑效率（ICE）和不同电流密度下的循环性能。结果显示，Si@PP@CA电极在高电流密度下表现出优异的容量保持率和长循环寿命。

展示了Si@PP@CA和Si@CMC@SP电极在循环前后的表面和截面SEM图像，以及相应的TEM图像。结果表明，Si@PP@CA电极在循环后仍保持良好的结构完整性，而Si@CMC@SP电极则出现了明显的裂纹和破损。

展示了Si@PP@CA复合材料在循环前后的拉曼光谱、XPS谱图（包括C 1s、Si 2p和O 1s）以及FT-IR图谱。结果表明，Si@PP@CA复合材料在循环过程中形成了稳定的锂柠檬酸盐SEI层，有效抑制了硅的体积变化。

总结与展望

本文通过引入功能性导电粘结剂显著增强了硅基负极材料的电化学性能。研究表明，含有PEDOT和柠檬酸的粘结剂能够形成稳定的三维导电网络和快速形成的SEI层，从而有效抑制硅的体积膨胀并提高其循环稳定性。Si@PP@CA复合材料在长循环测试中表现出优异的容量保持率和高电流密度下的稳定性，显示了其在实际应用中的巨大潜力。未来的研究可以进一步优化粘结剂的组成和制备工艺，以提升其在不同类型电解器中的应用潜力，并探索其在工业应用中的可行性和经济性。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202401794

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