上圖是聚合物粘合劑網保護的鋰離子電池中的硅粒子，由于其對硅陽極的穩定作用，可以使鋰離子電池實際運用于電動汽車與無人機等其他先進電子應用。
在硅電極中添加聚合物粘合劑可以改善鋰離子電池的穩定性。
日本研究人員表示，他們改進了鋰離子電池硅陽極的設計，可以提高高能量密度電池的整體壽命，從而可以解決一些目前與儲能電池相關的限制。
來自日本先進科學技術研究所（JAIST）的科學家們已經驗證了在鋰離子電池硅陽極中添加一種特殊的聚合物復合粘合劑可以明顯提高結構的穩定性。這使得使用這種材料制成的陽極制造的電池壽命更長，因此能夠滿足電動汽車和其他設備不斷增長的能源需求。
多年來，鋰離子電池一直是我們使用的大多數設備的默認配置，但它們的局限性已經變得很明顯，尤其是在電動汽車上的使用，電動汽車需要更多的耐用性、能量密度和整體壽命。
研究人員一直在尋找用于這些電池的替代材料，利用硅代替石墨作為陽極是他們一直在尋找的解決方案之一。這是因為硅更豐富、廉價，而且比石墨有更高的理論放電容量。
然而，硅陽極也存在缺點；尤其是重復充電與放電會引起硅粒子的膨脹與破裂，從而在電解質和陽極之間形成厚的固態電解質界面（SEI）。厚固態電解質界面限制鋰離子在電極中的移動，進而限制了電池的性能以及隨時間的充放電能力。
粘合劑的應用
為了改善鋰離子電池硅陽極的性能，由 Noriyoshi Matsumi教授帶領的研究所團隊研發使用聚合物復合粘合劑改善陽極硅粒子穩定性的方法。
研究人員表示，這會產生一層固態電解質界面，可阻止陽極與電解質自發地相互反應，但不會抑制鋰離子流動。
具體來說，研究人員使用在復合粘合劑中使用了聚二亞氨基苯并萘醌（P-BIAN）和含羧酸鹽的聚合物聚（丙烯酸）（PAA），通過氫鍵聯系在一起。
Matsumi在新聞中聲明，這種設計由n型導電聚合物(CPs)和具有氫鍵網絡的質子提供聚合物組成，代表了“大容量電極材料的一個有前途的未來”。
事實上，復合聚合物結構可將硅粒子固定在一起，防止其破裂，而氫鍵允許結構自我修復。研究人員表示，這意味著如果聚合物斷裂或降解，它們可以重新附著。
他們補充說，粘結劑還改善了陽極的導電性，同時通過限制電解液的電解分解保持薄SEI。
改善陽極
為了測試粘合劑，團隊制造了一個陽極半電池，這種半電池是由含石墨的硅納米顆粒（Si/C）、粘合劑（P-BIAN/PAA）與乙炔黑（AB）導電添加劑組成。然后，他們將Si/C/（P-BIAN/PAA）/AB陽極進行重復充放電循環。
在該過程中，粘合劑穩定了硅陽極，可在超過600次循環后維持放電容量2100 mAh/g，研究人員將工作論文發表在《ACS Applied Energy Materials》雜志中。他們表示，相反，裸硅碳陽極的容量在90次循環中下降到600mAh/g。
在測試陽極后，研究團隊將其拆解，并通過光譜儀和顯微鏡對其進行檢查，尋找任何可能因為硅破裂而發生的裂縫，這在這些陽極中很常見。研究人員發現，經過400次循環后，陽極保持了光滑的結構，只有一些微裂紋。他們說，這表明粘結劑成功地改善了電極的結構完整性。
Matsumi表示，研究結果總體上證明了硅陽極在鋰離子電池中的未來應用前景很好，可以優化應用于電動汽車和其他電池驅動的車輛，如高性能無人機。
中國化學與物理電源行業協會 楊柳翻譯
2022.7.5