硅作為高能量密度鋰離子電池的一種前景廣闊的負(fù)極材料，受到了廣泛關(guān)注。然而，硅在循環(huán)過程中很容易粉化，導(dǎo)致失去電接觸，最終縮短電池壽命。因此，人們開發(fā)了硅負(fù)極粘結(jié)劑來消散硅負(fù)極的巨大機(jī)械應(yīng)力，并提高其機(jī)械性能。然而，硅負(fù)極粘結(jié)劑與銅集流體之間的界面穩(wěn)定性也應(yīng)得到改善。

圖1 具有增強(qiáng)電化學(xué)性能的TUPN粘結(jié)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意

首爾大學(xué)Jong-Chan Lee、釜山大學(xué)Jin Hong Lee、韓國化學(xué)技術(shù)研究所Dong-Gyun Kim等通過三甘醇（TUEG）氨基和異氰脲酸酯三縮水甘油酯（TGIC）環(huán)氧基團(tuán)之間的原位交聯(lián)，合成了一種硫脲聚合物網(wǎng)絡(luò)（TUPN）粘結(jié)劑，用于高性能硅負(fù)極。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)交聯(lián)的TUPN10具有出色的機(jī)械性能，包括拉伸強(qiáng)度、延展性和回彈性，從而能夠控制鋰化/去鋰化過程中體積變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

此外，TGIC的環(huán)氧基團(tuán)和硅的羥基形成了共價(jià)鍵，在電解質(zhì)-電極界面上形成了穩(wěn)定的SEI薄層。另外，由于硫脲和異氰尿酸酯分子的存在，集流體與TUPN10粘結(jié)劑之間形成了物理相互作用，從而提高了界面穩(wěn)定性。

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圖2 三維交聯(lián)TUPN的設(shè)計(jì)與表征

基于這些多功能特性，采用TUPN10粘結(jié)劑的硅負(fù)極在電流密度為0.2 C時(shí)達(dá)到 2726.2 mA h g^-1的優(yōu)異容量，在電流密度為1.0時(shí)達(dá)到了1839.6 mA h g^-1。此外，使用TUPN10粘結(jié)劑的硅負(fù)極還表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)穩(wěn)定性，100次循環(huán)后的可逆容量高達(dá)1530.1 mA h g^-1，相當(dāng)于73.3%的高保持率。

總體而言，這種多功能粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)原理為進(jìn)一步改進(jìn)各類電極材料的潛在應(yīng)用提供了巨大前景。

圖3 電化學(xué)性能研究

A Multifunctional Interlocked Binder with Synergistic In Situ Covalent and Hydrogen Bonding for High-Performance Si Anode in Li-ion Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202302144