鋰離子電池已實現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn)化，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動車輛等熱門行業(yè)，尋找和研究高容量的負(fù)極材料至關(guān)重要。硅（Si）基負(fù)極以其巨大的理論比容量1500~4200mAh g-1、儲量大等特點成為目前鋰離子電池的研究熱點。但是其自身的導(dǎo)電性能不佳和電池充放電循環(huán)過程中發(fā)生的劇烈體積變化（~300%），會導(dǎo)致電極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)生不可逆的退化，從而造成巨大的容量損失。通過粘結(jié)劑來保持活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、集流體等之間的有效電接觸和維持電極中導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完整性以及充放電循環(huán)的穩(wěn)定性，從而有效地緩解硅基負(fù)極容量的快速衰減并延長電池的循環(huán)壽命。
圖1. 粘結(jié)劑構(gòu)建電極中穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒團隊基于對鋰電池硅基負(fù)極導(dǎo)電粘結(jié)劑取得的系統(tǒng)研究進展（Nano Energy 2017, 36, 206；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 1672；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 27795；Small 2021, 17, 2102256；Energy and Environmental Mater. 2021, 0, 1；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100601；Small methods 2022, 6, 2101591）進行總結(jié)與展望，以“Establishing a Resilient Conductive Binding Network for Si-based Anodes via Molecular Engineering（通過設(shè)計并調(diào)控粘結(jié)劑的分子結(jié)構(gòu)去構(gòu)建鋰離子電池硅基負(fù)極中穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)）”為題在Accounts of Chemical Research（Acc. Chem. Res. 2022, 55, 2088?2102）發(fā)表。
團隊的重要創(chuàng)新是將導(dǎo)電高分子粘結(jié)劑維持穩(wěn)定的硅負(fù)極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)策略分為兩類：（1）保護一級導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高整個電極的機械穩(wěn)定性。這主要是通過粘結(jié)劑的機械性能將導(dǎo)電劑（例如碳納米管和乙炔黑）與硅基顆粒結(jié)合構(gòu)成的宏觀尺度上的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電子的傳輸通過導(dǎo)電劑與硅基顆粒之間的物理接觸形成電子滲流；（2）構(gòu)建分子尺度的二次導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。這主要是利用導(dǎo)電粘結(jié)劑與硅基顆粒化學(xué)鍵連接構(gòu)成界面分子尺度的電子耦合形成微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，成為硅基活性物質(zhì)顆粒表面的分子級導(dǎo)電層。從電子傳輸?shù)慕嵌葋砜矗患墝?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)允許更快的電子流動，二次導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是把電子有效地快速地傳遞到硅基顆粒，從而提升負(fù)極的能量密度和功率密度。
圖2. 鋰離子電池硅基負(fù)極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)
基于鋰電池結(jié)構(gòu)化學(xué)和材料基因的思想，團隊把粘結(jié)劑分子結(jié)構(gòu)中的官能團分為兩類：力學(xué)結(jié)構(gòu)基元和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)基元。力學(xué)結(jié)構(gòu)基元是指一些具有極性的官能團（例如-OH、-COOH、-NH2和-CO-NH-）；導(dǎo)電結(jié)構(gòu)基元是指具有電子導(dǎo)電性的共軛官能團（例如-C4H4O2S-、-C16H9、-C13H8-和-C12H8N-），使得所設(shè)計的導(dǎo)電粘結(jié)劑既具有強粘結(jié)的機械性能又具有電子導(dǎo)電性能，從而建立了粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)基元與其性質(zhì)之間的相關(guān)性，系統(tǒng)地總結(jié)了粘結(jié)劑的優(yōu)化策略和設(shè)計原則，達到在硅基負(fù)極中實現(xiàn)多維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的，推動了硅基負(fù)極從基礎(chǔ)研究走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
圖3. 硅基負(fù)極粘結(jié)劑中具有代表性的力學(xué)和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)基元
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院博士生陳詩明和宋智博以及碩士生王璐為共同第一作者，潘鋒教授和楊盧奕副研究員以及澳大利亞格里菲斯大學(xué)張山青教授為共同通信作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金和深圳市自然科學(xué)基金的資助。
