硅（Si）負極可以供應(yīng)高的理論比容量、低放電電壓和更好的安全性，成為高能量密度和長循環(huán)壽命的鋰離子電池的最有前途的負極材料之一。然而，硅在重復鋰化/脫鋰過程中經(jīng)歷極端的體積膨脹/收縮（420％），容易出現(xiàn)破裂和碎裂，惡化與塊狀電極的電接觸，導致電池容量快速衰減和降低電池循環(huán)穩(wěn)定性。盡管Si的納米尺寸策略可適應(yīng)納米級的體積變化，但在重復充電/放電循環(huán)過程中電極的不可逆轉(zhuǎn)的損壞，仍然極大地降低電池性能的穩(wěn)定性。

另外，包括各種天然樹膠，精心設(shè)計的彈性樹脂和導電聚合物的粘結(jié)劑也越來越多地被用于抑制硅的體積變化。最近，研究者們還開發(fā)了一種高度彈性的聚輪烷粘結(jié)劑，使用該粘結(jié)劑的硅微粒負極表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，在許多情況下，由于缺乏對由Si的體積變化引起的電極損傷的有效修復，電化學性能的改善受到限制?？梢韵胂?，將自修復能力結(jié)合到粘結(jié)劑中可以克服這個問題：自修復粘結(jié)劑可以立即修復由硅的體積變化引起的破壞或損壞，確保活性材料與集流體之間的完整導電接觸，從而改善容量保持率和循環(huán)穩(wěn)定性。脲基-嘧啶酮（UPy）單元首次由Meijer團隊報道，upy可以形成更穩(wěn)定的四氫鍵二聚體，其二聚常數(shù)為6107M-1，在氯仿中的鍵能更高，達44kJ/mol，是最有前景的構(gòu)建自修復粘結(jié)劑材料之一，可用作構(gòu)建修復效率高、修復速度快的超分子粘結(jié)劑材料。

【成果簡介】

近日，南方科技大學鄧永紅教授課題組在國際期刊Small上成功發(fā)表AQuadruple-Hydrogen-BondedSupramolecularBinderforHigh-PerformanceSiliconAnodesinLithium-IonBatteries的論文。第一作者為張光照和研究助理教授楊宇，合作包括華南理工大學陳云華教授、加拿大阿爾伯塔大學曾宏波教授、華南理工大學王朝教授和美國勞倫斯伯克利國家實驗室劉杲教授。通過將少量UPy部分與線性聚合物聚（丙烯酸）（PAA）共聚結(jié)合，研究人員報道了一種新型超分子聚合物，可用作高性能硅納米粒子（SiNP）負極的自修復粘結(jié)劑。所得到的聚合物由于其四重氫鍵動態(tài)相互用途而被證明具有優(yōu)異的自修復能力。使用該自修復超分子聚合物作為粘結(jié)劑的電極表現(xiàn)出的初始放電容量高達4194mAh/g，首次庫侖效率為86.4％，并且在110次循環(huán)后保持2638mAh/g的高容量，顯示優(yōu)異的電化學性能。超分子粘結(jié)劑可進一步用于硅/碳負極，表明超分子自組裝策略可以為硅負極粘結(jié)劑的設(shè)計和制備供應(yīng)更多的選擇，賦予聚合物超分子優(yōu)異的自修復和強粘結(jié)用途，有助于開發(fā)出高容量和長循環(huán)壽命的穩(wěn)定硅電極，以滿足商業(yè)鋰離子電池的要求。

【全文解析】

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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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圖1使用可自修復的PAA-UPy聚合物作為粘結(jié)劑的硅極的充電-放電過程的示意圖。a）PAA-UPy超分子聚合物的化學結(jié)構(gòu)。b）UPy-UPy二聚體可以基于四重氫鍵而可逆地斷裂和重建。c）充電過程中硅顆粒的大體積膨脹導致UPy二聚體的非共價交聯(lián)的解離，并且由于四重氫鍵的可逆性，即使在多次循環(huán)之后電池經(jīng)歷脫鋰過程時，這些交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也可以重建。

圖2使用PAA-UPy粘結(jié)劑的硅負極的電化學性能。a）硅電極的循環(huán)性能，充電電流密度為2100mA/g（0.5C），放電電流密度為840mA/g（0.2C）。b）使用PAA-UPy作為粘結(jié)劑的電極顯示出86.4％的初始庫侖效率。c）首次循環(huán)時具有不同粘結(jié)劑的電極的充電-放電曲線。d）使用PAA-UPy粘結(jié)劑的倍率性能。e）在3次和100次循環(huán)后，硅/PAA-UPy電極的阻抗圖。

圖3基于PAA-UPy的水凝膠的流變性和自修復性能。a）在10℃下具有相同濃度20wt％的PAA-UPy和PAA的水溶液的時間掃描測量。b）基于PAA-UPy的水凝膠的應(yīng)變掃描測量結(jié)果（左）和從1000％應(yīng)變變形（右）的瞬間恢復。c）基于PAA-UPy的水凝膠的自修復測試。d）自我修復機制的示意圖。

圖4在110個循環(huán)之前和之后使用PAA-UPy，PAA和CMC粘結(jié)劑的SiNP電極的SEM圖像。使用PAA-UPy的電極比使用其他兩種粘結(jié)劑的電極顯示更少和更小的裂縫，這也反映了PAA-UPy的自修復性能。所有比例尺：5μm。

圖5PAA-UPy粘結(jié)劑應(yīng)用于商用Si/C極。a）采用PAA-UPy粘結(jié)劑的Si/C極的循環(huán)性能。b）0.2C下不同循環(huán)的充放電曲線。c）d）循環(huán)前（c）和110次循環(huán)（d）之前的Si/C電極的SEM圖像。比例尺：200微米。

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【總結(jié)與展望】

研究人員開發(fā)了一種用于高性能硅負極的自修復超分子聚合物粘結(jié)劑。這種超分子粘結(jié)劑具有自修復聚合物網(wǎng)絡(luò)和聚合物與硅之間的強結(jié)合的優(yōu)點，可以有效地承受鋰化/脫鋰時硅極的大體積變化，初始放電容量高達4194mAh/g，首次庫倫效率為86.4％，優(yōu)于使用PAA，CMC和PVDF粘結(jié)劑的Si極。此外，經(jīng)過110次循環(huán)后，實現(xiàn)了2638mAh/g的高容量，顯示出優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性。電化學性能的顯著改善歸因于所形成的粘結(jié)劑超分子網(wǎng)絡(luò)及其優(yōu)異的自修復能力。另外，使用這種自修復粘結(jié)劑的商用硅碳負極也表現(xiàn)出優(yōu)異的容量保持率，這反映了對Si基極的普遍適用性。超分子自組裝策略可以為硅負極粘結(jié)劑的設(shè)計和制備供應(yīng)更多的選擇，賦予聚合物超分子優(yōu)異的自修復和強粘結(jié)用途，有助于開發(fā)出高容量和長循環(huán)壽命的穩(wěn)定硅電極，以滿足商業(yè)鋰離子電池的要求。