
物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (6): 2306006.doi: 10.3866/PKU.WHXB202306006
张景硕1, 翟越1, 赵子云1, 何家兴1, 魏伟3, 肖菁1,3,4, 吴士超1,2,*, 杨全红1,2,3,4,*
收稿日期:2023-06-02
修回日期:2023-07-05
录用日期:2023-07-20
发布日期:2023-11-29
通讯作者:
Email: wushichao@tju.edu.cn (吴士超)qhyangcn@tju.edu.cn (杨全红)
基金资助:Jingshuo Zhang1, Yue Zhai1, Ziyun Zhao1, Jiaxing He1, Wei Wei3, Jing Xiao1,3,4, Shichao Wu1,2,*, Quan-Hong Yang1,2,3,4,*
Received:2023-06-02
Revised:2023-07-05
Accepted:2023-07-20
Published:2023-11-29
Contact:
Email: wushichao@tju.edu.cn (Shichao Wu)qhyangcn@tju.edu.cn (Quan-Hong Yang)
Supported by:摘要:
硅(Si)具有超高的理论比容量、较低的嵌锂电位及丰富的储量等优势,是发展高比能锂离子电池的关键负极材料。同纳米Si相比,低成本、高振实密度和低界面反应的微米Si应用于高体积能量密度器件独具优势。然而其300%体积形变产生的巨大应力,使得颗粒破碎粉化、电极结构退化以及导电网络失效等问题更为严峻,极大制约了其商业化进程。粘结剂是适应Si体积变化,提供稳定导电网络的重要手段。开发高容量、高稳定微米Si基负极对粘结体系设计提出了更大的挑战。本文首先阐明了粘结剂的基础功能与粘结机制,然后从自愈合、电子导电、离子导电以及参与固态电解质层构建四个方面,总结了Si基负极用功能粘结剂的设计策略和作用原理,最后展望了面向实用化的Si基负极功能粘结剂面临的挑战和未来发展方向。
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表1
功能粘结剂电化学性能总结"
| Binder | Binder ratio | Areal capacity (mAh∙cm−2) | First discharge capacity (mAh∙g−1) | ICE | Capacity retention | Rate performance (mAh∙g−1) |
| PR-PAA | 10% | 2.67@0.64 mA∙cm−2 | 2971@0.1 A∙g−1 | 91.2% | 91%@150 cycles | 1400@3 A∙g−1 |
| PAA-P(HEA-co-DMA) | 10% | 3.2@1 A∙g−1 | 2850@0.4 A∙g−1 | 89.3% | 94%@220 cycles | 1855@5 A∙g−1 |
| SHP | 50% | 2.1@0.2 A∙g−1 | 3400@0.4 A∙g−1* | 78%* | 80%@90 cycles | 1400@2 A∙g−1 |
| 3D SHP | 33% | 3.8@0.3 mA∙cm−2 * | 2620@0.42 A∙g−1 | 92.0% | 70%@140 cycles | – |
| SBR/CMC-PEG-Im-Zn2+ | 10% | 2@0.65 A∙g−1 * | 640@0.65 A∙g−1 | – | 100%@200 cycles * | 261@1.3 A∙g−1 |
| PAA-BFPU | 15% | 3@0.8 A∙g−1 * | 3500@0.2 A∙g−1 | 89.8% | 86%@100 cycles | 1309@6 A∙g−1 |
| SHPET | 20% | 3.6@0.84 A∙g−1 * | 3744@0.42 A∙g−1 | 86.0% | 63%@60 cycles * | 1594@4.2 A∙g−1 |
| GCA | 15% | 3.6@2 A∙g−1 | 4015@0.2 A∙g−1 | 89%* | 72%@100 cycles | 2416@4 A∙g−1 |
| PAA-UPy | 20% | 2.1@0.84 A∙g−1 * | 4194@0.84 A∙g−1 | 86.4% | 74%@110 cycles | 2662@21 A∙g−1 discharge, 0.84 A∙g−1 charge |
| DA-PAA | 30% | 1.4@0.42 A∙g−1 * | 2607@0.42 A∙g−1 | 86.0% | 48%@200 cycles * | 2190@21 A∙g−1 |
| AXDY-PA | 20% | 2.5@0.5 A∙g−1 * | 4113@0.5 A∙g−1 | 87.0% | 75%@100 cycles | 1446@8 A∙g−1 |
| GCS-OSA | 20% | 2.8@0.84 A∙g−1 * | 4581@0.84 A∙g−1 | 77.1% | 43%@200 cycles * | 2185@21 A∙g−1 |
| PAA-DA/PVA | 20% | – | 3434.3@0.4 A∙g−1 | 83.4% | 73%@100 cycles | 2168@4 A∙g−1 |
| PEFM | 33% | 0.6@0.092 mAh∙cm−2 * | 3750@0.092 mAh∙cm−2 | 70.0% | 84%@50 cycles | 2730@1.84 mAh∙cm−2 |
| PF-COONa | 33% | 1.5@0.42 A∙g−1 * | 3500@0.42 A∙g−1 | 68.4% | 84%@100 cycles | 1424@8.4 A∙g−1 |
| PEDOT: PSS-FA | 20% | 3.8@0.5 A∙g−1 | 3685@0.5 A∙g−1 | 77.5% | 63%@100 cycles * | 1550@5 A∙g−1 |
| PEDOT: PSS-GOPS | 27.30% | 2.9@1 A∙g−1 | 3450@1 A∙g−1 | 85.0% | 70.8%@200 cycles | 760@8 A∙g−1 |
| PPTU | 20% | 2@1 A∙g−1 * | 3950@0.2 A∙g−1 | 80.1% | 76.7%@300 cycles | 620@8 A∙g−1 |
| Polyimine | 5% | 1.3@0.4 A∙g−1 * | – | 60.0% | 80.4%@200 cycles | 433@5 A∙g−1 |
| PVA-CS-CPDs | 10% | 5.4@0.42 A∙g−1 * | 3048@0.84 A∙g−1 | 89.6% | 60%@100 cycles * | 1076@8.4 A∙g−1 |
| CG | 10% | 6.4@0.3 mA∙cm−2 * | 3788 | 80.0% | 80%@300 cycles * | 737@8.4 A∙g−1 |
| GG | 15% | 2.8@0.84 A∙g−1 * | 3364@2.1 A∙g−1 | 88.3% | 70%@30 cycles | 980@12.6 A∙g−1 |
| N-P-LiPN | 10% | 5@0.84 A∙g−1 * | 3650@0.84 A∙g−1 | 86.2% | 70%@50 cycles * | 2021@8.4 A∙g−1 |
| xPEG-GCS | 20% | 1.4@0.36 A∙g−1 | 3332@0.36 A∙g−1 | 82.2% | 64.7%@150 cycles | 2700@10.74 A∙g−1 |
| c-PEO-PEDOT: PSS/PEI | 20% | ~4@1 A∙g−1 | 2440@1 A∙g−1 | 82.0% | ~100%@60cycles | 1590@8 A∙g−1 |
| SHP-PEG | 30% | 1.1@1.79 A∙g−1 | 2600@0.179 A∙g−1 | 83.0% | 80%@150 cycles | 900@7.16 A∙g−1 |
| GG-g-PAM | 5% | 5.1@0.5 A∙g−1 | 2600@0.15 A∙g−1 | 84.5% | 78.5%@60cycles | 1249@8 A∙g−1 |
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