基于透明质酸的硅负极粘结剂的制备和性能研究

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锂离子电池由于安全且循环性能稳定,被广泛用于便携式电子设备和动力汽车等领域。但目前商业化的石墨负极由于理论比容量较低(372 mAh g-1),已然无法满足日益增长的需求,因而亟需研发高比容量的负极替代材料。硅材料具有相当高的理论比容量(4200 mAhg-1)和较低的电势,且来源丰富和环境友好,有望实现高能量密度的锂离子电池。但是目前硅负极材料仍存在以下问题:(1)充电过程中体积膨胀率大,导致电极材料粉化;(2)电导率较低,难以实现高电流密度下的充放电;(3)固态电解质膜(SEI)不稳定,导致长循环性能差。针对上述问题,本文拟通过分子结构优化和聚合物网络结构调控,设计多功能粘结剂来提升硅负极电池的电化学性能。为解决硅负极体积膨胀粉化和导电率低的问题,在分子结构优化层面,通过乳液聚合法引入羧基、羟基、丙烯酰胺基和磺酸基等极性官能团,利用极性官能团与硅基的酯键作用,辅以范德华力和氢键等动态作用力,构建了具有多梯度能量耗散网络的粘结剂。利用粘结剂能量耗散网络,有效抑制了硅负极体积膨胀中挤压和粉化现象;通过负电性磺酸根离子的静电效应,构建锂离子快速传输通道,促进了锂离子的传导,显著提升了电池长循环下的稳定性。在1 A g-1下充放电300次后放电容量保持为1119 mAh g-1,且在2 A g-1下充放电200次后比容量稳定在1082 mAh g-1。当负载量提升至2.6 mg cm-2时,硅负极可在0.3 A g-1下循环100圈后保持1.2 mAh cm-2的面容量。将该粘结剂应用于Si-C和SiO-C复合电极体系时,分别可在0.3 A g-1的电流密度下达到300圈和400圈的长循环。在分子结构优化的基础之上,进一步调控聚合物网络构型,提升SEI膜的稳定性。通过引入双阴离子多糖透明质酸和可溶性大豆多糖,构建双层粘结剂网络抑制了硅负极体积膨胀。硅基半电池(包括纯硅、Si-C和SiO-C复合体系)电化学测试表明:与单一多糖的电化学性能相比,双阴离子多糖构建电极体系的性能有明显提升。电极在4 A g-1下充放电100次后达到1407 mAh g-1的放电比容量,相应初始库伦效率为92.67%且在2 Ag-1下充放电250次后达到1252 mAh g-1的可逆容量。循环后的电极表面元素分布均匀,且与未改性电极相比裂纹较少,表明该电极在循环过程中的稳定性。此外,该粘结剂可促进SEI膜的形成,有效抑制容量持续衰减,为主动设计高稳定、高电导率、长循环的硅负极电池,提供了理论依据和科学基础。
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