随着电动车和便携电子设备的迅速发展,人们对于电池的能量密度和循环寿命提出了更高的要求,迫切需要新技术、新材料来提升电池性能。电池性能取决于电极性能。电极由活性材料和粘结剂和导电剂等电极辅助材料构成。粘结剂是电极辅助材料之一,只占极片质量的2%～5%,却是电极活性材料发挥电化学性能的基础,是保障电极结构稳定性的关键材料,对提高电极性能至关重要。石墨是常见的锂离子电池负极材料,具有导电性好、膨胀率低等优点,因而传统的粘结剂对抗拉强度和导电性要求不高。然而高容量材料如硅,在充放电过程中会形成Li15Si4,发生高达290%的体积膨胀。同时,硅材料为半导体,导电性差,需要和导电能力较好的材料进行复合以提升硅负极的倍率性能。因此,传统粘结剂不适应于高容量电极,亟待开发抗拉强度高、具备导电性的柔性粘结剂。针对这一问题,本文根据环糊精分子内腔疏水、外侧亲水的特殊结构,发挥其外侧羟基的亲水性和粘结作用以及内腔的分子包覆功能,设计研制了具备导电功能的环糊精/聚吡咯包合物粘结剂。环糊精/聚吡咯包合物粘结剂具有良好的水溶性、粘结性和导电性,改善了硅负极导电性。同时,包合物粘结剂具有刚性分子结构,抑制了硅负极膨胀对极片造成的破坏,提高了硅负极的循环稳定性和倍率性能。本文基于核磁共振光谱、质谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射光谱、高分辨率透射显微镜等材料表征,以及万能材料试验机、视频接触角分析仪等性能测试,分析讨论了包合物的形成及粘结性能。通过阻抗谱测试、循环伏安测试和恒电流充放电测试等电化学测试方法,讨论了环糊精/聚吡咯配比对电池性能的影响。研究发现,刚性的环糊精/聚吡咯包合物虽然一定程度上抑制了硅电极膨胀的破坏,但也使得硅电极失去了适应膨胀的变形能力,不能适应高载量硅电极的膨胀变形。为此,本文引入柔性高分子羧甲基纤维素锂与包合物复合,制备了 β-环糊精/聚吡咯包合物-羧甲基纤维素锂复合粘结剂。在复合过程中,羧甲基纤维素锂的柔性分子链和环糊精/聚吡咯包合物刚性分子链通过氢键交联,构成网状聚合物结构。网状聚合物结构在不改变聚吡咯分子方向刚性的条件下,在环糊精/聚吡咯包合物之间建立了柔韧连接,进一步提高了粘结剂的机械强度,并克服了环糊精/聚吡咯分子缺乏柔性的缺陷。粘结剂性能测试和电化学分析研究表明,复合物粘结剂的抗拉强度达到了 24 MPa,断裂伸长率从2.3%提升到4.9%,能够在充放电过程中有效缓解硅材料体积变化对极片造成的破坏,维持稳定的极片结构,进一步提升了硅负极的机械结构稳定性和倍率性能。基于复合粘结剂的硅负极在0.2 C倍率条件下循环100圈后,仍能保持2093.60 mAh·g-1的充放电比容量。基于复合粘结剂的高载量硅负极在0.2 C倍率条件下循环50圈后,能够保持4.15 mAh·cm-2充放电面容量,有效缓解了高载量硅负极循环性能差的缺点。