由于其較高的理論容量，硅（Si）已被視為傳統(tǒng)石墨的替代負(fù)極材料。然而，Si負(fù)極具有固有的體積膨脹和不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）而導(dǎo)致容量衰減快，這阻礙了其商業(yè)應(yīng)用。

在此，中科院青島能源所崔光磊研究員、張煥瑞副研究員等人提出了一種人體肌腱內(nèi)膜鞘啟發(fā)的水溶性雙網(wǎng)絡(luò)仿生粘結(jié)劑（DNB），用于解決硅負(fù)極的瓶頸問(wèn)題。內(nèi)膜鞘機(jī)械堅(jiān)固，與膠原纖維、肌腱細(xì)胞和血管有很強(qiáng)的粘附性，這種粘合最吸引人的地方在于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的出色機(jī)械匹配（即適應(yīng)體積變形和承受外部應(yīng)力）和完美的粘合恢復(fù)。因此，所開(kāi)發(fā)的DNB粘結(jié)劑顯示出優(yōu)異的粘附性、機(jī)械性能和自愈能力，主要得益于其可逆的超分子混合網(wǎng)絡(luò)。

研究表明，DNB不僅可以通過(guò)良好的機(jī)械強(qiáng)度抑制Si電極在循環(huán)過(guò)程中的過(guò)度體積膨脹，而且可以消除Si顆粒體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)電極膜的自我修復(fù)。此外，DNB還誘導(dǎo)了富含Li₃N/LiF的SEI層，有助于實(shí)現(xiàn)Si電極的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1. 仿生DNB粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)策略

正如預(yù)期的那樣，與傳統(tǒng)的聚丙烯酸（PAA）和果膠粘結(jié)劑相比，DNB可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的Si電極。在0.2 C下150次循環(huán)后，基于DNB的Si電極容量保持率（56%）明顯高于基于 PAA（41%）和果膠（36%）的Si電極。

令人印象深刻的是，具有DNB的Si負(fù)極（88.84%）表現(xiàn)出比PAA和果膠對(duì)應(yīng)電極（分別為87.68和76.85%）高得多的初始庫(kù)侖效率。更重要的是，基于DNB的NCM811 （11 mg cm^-2）/Si全電池也可以獲得良好的循環(huán)性能，在0.1 C下50次循環(huán)后的容量保持率為86%，進(jìn)一步證實(shí)了DNB粘結(jié)劑的實(shí)際應(yīng)用可行性。因此，這種仿生粘結(jié)劑設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的Si負(fù)極及進(jìn)一步組裝鋰電池的實(shí)用性提供了一條有希望的途徑。

圖2. 基于DNB的Si負(fù)極電化學(xué)性能評(píng)估

An Endotenon Sheath-Inspired Double-Network Binder Enables Superior Cycling Performance of Silicon Electrodes, Nano-Micro Letters 2022. DOI: 10.1007/s40820-022-00833-5