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用于硅负极的高伸缩性导电胶

用于硅负极的高伸缩性导电胶

粘结剂在维持锂离子电池电极的机械完整性方面起着关键作用。但是,现有的粘结剂对于高容量硅负极来说,在较大应变下通常导致导电碳添加剂的分离和聚集以及电连接的破坏。即使后来开发出了共轭导电聚合物,但通常在较大应变下表现出低电导率或拉伸性差,由此电池性能不适用于应用。近期,华中科技大学霍开富和周印华教授共同为高性能硅负极设计了一种具有高导电性、优良的拉伸性和延展性的新型导电胶(CG)聚合物。表现出极好的电化学性能。

用于硅负极的高伸缩性导电胶

图1.循环时不同粘结剂的Si负极变化示意图。a)PVDF,b)CMC,c)导电粘结剂缺乏拉伸性,d)CG(可拉伸的导电胶)。

用于硅负极的高伸缩性导电胶

图2. a,b)Si-CG电极的SEM图像,(b)中的插图显示相应的EDS光谱。c-d)Si-CG电极的TEM和HR-TEM图像。e)嵌入在CG中的Si的相应的EDS映射。

 

作者通过将D-山梨糖醇和乙酸乙烯酯-丙烯酸(VAA)交联到导电聚合物PEDOT:PSS链上制得CG,它具有很高的导电性和机械延展性,即使在大的压力下也是如此。CG可以被拉伸长达250%和400%,而没有导电损失和机械断裂。因此,它可以有效地适应活性硅负极在循环过程中的大体积变化,以保持高的结构完整性,同时保持电极的高导电性。基于整个电极的质量计算,Si-CG负极在0.2C下循环700次后仍可以提供1500mAh/g的稳定容量,初始库仑效率高达80%;并且在8400mA/g高倍率下具有737mAh/g容量。此外,Si-CG负极在面积质量为2 mg/cm^2时表现出高达5.13 mAh/cm^2面积容量。

用于硅负极的高伸缩性导电胶

图3. Si-CG负极的电化学性能。不同粘结剂的a)循环稳定性和b)倍率性能。c)CV曲线和d)在0.2C下的充放电曲线。e)具有不同质量负载的Si-CG负极的循环性能。f)面积容量对Si质量负载关系。

用于硅负极的高伸缩性导电胶

图4.电化学循环过程中CG包覆的Si颗粒的结构演变。a)示意图显示了在脱嵌锂期间Si-CG纳米颗粒的结构完整性和b)相应的TEM图像


良好的电化学性能归结为以下几个优点:

  • CG通过与表面SiO2的共价相互作用紧密地保护Si颗粒,形成3D连续电子路径,使电子能够快速传输

  • 高伸缩性的CG可以有效地缓冲Si颗粒的巨大体积变化,在循环期间保持电极完整性和高导电性

  • 在Si颗粒上涂覆的CG有效地防止了Si颗粒的聚集,形成高的库仑效率和良好的可循环性

  • CG可以在不添加导电添加剂的情况下实现快速电子传输,从而大大的提高了体积容量和质量容量。

 

Lei Wang,Tiefeng Liu, Xiang Peng, Wenwu Zeng, Zhenzhen Jin, Weifeng Tian, Biao Gao,Yinhua Zhou, Paul K. Chu, and Kaifu Huo; Highly Stretchable Conductive Glue for High Performance Silicon Anodes in Advanced Lithium-Ion Batteries; Advanced Functional Materials(2017); DOI: 10.1002/adfm.201704858


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