0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

基于“多级缓冲”粘合剂设计策略

锂电联盟会长 来源:锂电联盟会长 作者:锂电联盟会长 2022-10-08 09:47 次阅读

锂离子电池 (LIB) 因其长寿命、高安全性等特点,已被广泛应用与消费类电子产品、电动交通、大规模储能等领域。与商业石墨负极相比,硅(Si)具有极高的理论比容量(4200 mAh g−1),能够显著提升商业锂离子电池的能量密度。然而,Si 的剧烈体积变化 (》300%) 会导致颗粒粉化和不稳定的固体电解质界面 (SEI) 层。最近研究表明,基于自愈合化学的粘结剂设计可以有效修复电极不可逆的机械损伤,有望实现 Si 的电化学的稳定循环。然而,单一可逆键合的自愈合作用(氢键、静电相互作用和配位键等)对电极机械强度的提升往往是有限的。因此,开发具有能量耗散和强机械强度的粘合剂体系对于实现稳定的Si电极导电网络是非常必要和紧迫的。

【工作介绍】

近日,哈尔滨工业大学尹鸽平教授课题组为了平衡电极的机械性能和自愈能力之间的关系,提出了一种“多级缓冲”粘合剂设计策略。具体来说,通过儿茶酚(DA)、聚丙烯酸(PAA)及聚乙烯醇(PVA)三者之间的耦合作用,成功构筑了具有多级应力耗散的 PAA-DA/PVA 粘合剂。该设计具有以下优点:(1)原位构建的共价酯键链段具有更高的机械模量,从而提高了整个电极的抗变形能力;(2)动态可逆非共价键的解离和重构实现了电极内部膨胀/收缩应力的消散,以及断裂界面的修复;(3)含孤对电子的富氮链段还可以通过形成锂离子配位键来改善的Li+输运。研究结果表明,该多级缓冲的粘结体系显著改善了硅负极的电化学性能和电化学反应动力学。该文章以A Multi-level Buffered Binder Network for High-performance Silicon Anodes为题,发表在国际顶级期刊ACS Energy Letters上。博士研究生万鑫为论文第一作者。木天胜博士、尹鸽平教授为论文通讯作者。

【内容表述】

如图1所示,传统商用CMC/SBR的一维线性结构由于粘接强度有限,其对维持Si电极的结构稳定性和完整性的作用效果不佳。相比之下,具有多级缓冲能力的PAA-DA/PVA粘结剂能够显著提升电极结构稳定性。作用机制如下:由邻苯二酚单元等基团构成的动态氢键网络可以有效地耗散Si体积波动引起的应变能,实现断裂界面的修复。此外,PAA-DA与PVA交联形成的共价酯键,可显著提高复合粘结剂的机械强度。重要的是,酰胺基中富含氮的孤对电子能够与锂离子配位,进而改善的Li+输运动力学。

bd505bc8-462a-11ed-96c9-dac502259ad0.png

图1. (a) CMC/SBR 和 (b) PAA-DA/PVA 粘合剂在 Si 电极中循环过程中的作用机制示意图。

通过FTIR和XPS测试证实多级缓冲PAA-DA/PVA粘结剂的成功构筑,如图2a-c所示。通过DFT方法研究了聚合物分子与 Si 表面之间的相互作用,如图2d-e所示。Si对PAA-DA-N和PVA-N的吸附能分别为-9.9 eV和-9.3 eV,表明PAA-DA/PVA与Si之间存在自发的氢键作用。通过激光共聚焦扫描显微镜 (LSCM) 测试证实PAA-DA/PVA粘结剂均匀地分散在整个电极网络中,如图2f-h所示。

bdc11246-462a-11ed-96c9-dac502259ad0.png

图2. (a) PAA-DA、PVA和PAA-DA/PVA聚合物的FTIR光谱。(b) PAA-DA的XPS谱。(c) PAA-DA N1s谱高分辨率XPS。(d) PVA-N和(e) PAA-DA-N在Si表面的吸附模型。Si@PAA-DA/PVA电极的顶部和对应的截面三维CLSM图像。(f) PAA-DA;(g) PVA;(h) PAA-DA/PVA。

相关电极的机械性能测试如图3所示。纳米压痕后的载荷-位移曲线表明Si@PAA-DA/PVA 电极显示出最低的压痕深度和最高的弹性恢复率 (54%,图3b)。在图 3d-f 的原位 3D 扫描探针显微镜图像下,Si@PAA-DA/PVA电极的表面波动和深度差最小,表明原位交联共价键和动态化学键的存在可以有效提高电极的应变韧性。

bf57249c-462a-11ed-96c9-dac502259ad0.png

图3. (a)纳米压痕示意图。(b)不同粘结剂电极的典型载荷-位移曲线。(c)模量和硬度。(d-f) Si@CMC/SBR、Si@PAA/PVA和Si@PAA-DA/PVA电极经过纳米划痕测试后的三维原位SPM图像。(g)剥离实验和数码照片。(h)剥离曲线。(i)初始剥离力。

图4为电化学实验结果。研究表明,Si@PAA-DA/PVA电极显示出优异的电化学性能,包括良好的循环稳定性和倍率性能。具体地,在 500 次循环后保留1974.1 mAh g-1 的高可逆容量,保持率为50.8%。

c0be7d58-462a-11ed-96c9-dac502259ad0.png

图4. (a)不同电极的初始充放电曲线。(b) Si@PAA-DA/PVA电极在0.1 mV s−1时的CV曲线。(c)倍率性能。(d) 400 mA g−1下的循环性能。Si@PAA-DA/PVA电极的微分电容曲线(e)放电(f)充电。(g)电极的长周期循环性能。

采用恒电流间歇滴定法表征了充放电过程中的Li+扩散系数,如图 5a-c。得益于氮基中的孤对电子与Li+的配位以及连续稳定的离子传输途径, 在整个充放电过程中,Si@PAA-DA/PVA的logDLi+值高于Si@CMC/SBR和Si@PAA/PVA,表明Li+可以在Si@PAA-DA/PVA电极中快速传输。接触角实验表明,Si@PAA-DA/PVA 电极的接触角最小,为 14.6º,这也有利于锂离子在电极间的快速迁移。

c1266ecc-462a-11ed-96c9-dac502259ad0.png

图5. (a)不同Si电极的GITT曲线。(b) 单个GITT脉冲曲线。(c)不同充放电状态下的Li+扩散系数。接触角实验(d) Si@CMC/SBR;(e) Si@PAA/PVA;(f) Si@PAA-DA/ PVA。

【结论】

综上所述,为了平衡电极的机械性能和自愈能力之间的关系,我们提出了一种“多级缓冲”粘合剂设计策略。所设计PAA-DA/PVA 粘合剂设计具有以下优点:(1)原位构建的共价链段提高了整个电极的抗变形能力;(2)动态可逆柔性非共价键的解离和重构实现了应力应变的耗散。该Si@PAA-DA/PVA电极展现出优异的电化学性能。在 0.2 A g−1下循环 100 次后容量保持率为 73%。在 4 A g−1 下500 次循环后仍表现出1974.1 mAh g−1的高比容量。此外,“多级缓冲”设计策略也有望被用于其他具有体积效应的电极材料。

审核编辑:彭静
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 锂离子电池
    +关注

    关注

    85

    文章

    3200

    浏览量

    77456
  • 电极
    +关注

    关注

    5

    文章

    803

    浏览量

    27127
  • 显微镜
    +关注

    关注

    0

    文章

    528

    浏览量

    22953

原文标题:高容量硅负极的多级缓冲粘结剂设计

文章出处:【微信号:Recycle-Li-Battery,微信公众号:锂电联盟会长】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    快干型木薯淀粉粘合剂的研制

    研究了以H2O2为氧化剂氧化木薯淀粉,辅以脲醛树脂、陶土制备快干型淀粉粘合剂的工艺过程。经制备所得的淀粉粘合剂具有粘接力强、粘度稳定、干燥速度快、渗透性和流动性良好
    发表于 04-05 09:46 11次下载

    自制金属粘合剂

    自制金属粘合剂 配方:磷酸(85%) 100ml氢氧化铝     8g氧化铜粉末   若干配制方法:先将少量磷酸
    发表于 09-09 15:57 2121次阅读

    汉高中国宣布粘合剂类产品提价

    为应对原材料价格上涨,汉高中国提高粘合剂类产品价格10%至20% 上海2010年6月2日电  -- 汉高中国粘合技术业务部今日宣布:受到石油衍生品原材料价格大幅上涨影响,多
    发表于 06-02 14:49 645次阅读

    液体光学透明粘合剂

    工业粘合剂、密封胶和表面处理剂市场的全球领导者汉高公司宣布推出乐泰®液体光学透明粘合剂(LOCA),该产品主要用于触摸屏和显示设备的盖板镜头粘结、触摸屏传感器组装和直接粘结
    发表于 02-14 17:51 1252次阅读

    高能量密度趋势下 锂电粘合剂如何创新升级?

    为满足动力电池在续航能力、安全性能、使用寿命、低成本等方面的更高需求,正负极材料以及电池制作工艺方面会有较大的变化,粘合剂也会出现大量的研发创新,将有更新的粘合剂被持续不断开发出来。
    的头像 发表于 03-02 13:46 3351次阅读

    中科来方水性粘合剂如何革新电池技术?

    粘合剂是为电池制造的必备材料之一,其成本占电池制造成本的1%以下,但可将电池性能提高5%-10%。尽管粘合剂在锂电池中的用量很少,辅材用量一般为2%-5%,主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体,使电极活性物质、导电剂和集流体间具有整体的连接性,从而减小电极的阻抗
    的头像 发表于 03-02 15:22 7105次阅读

    ExOne粘合剂喷射材料扩展品类,实现品质升级

    粘合剂喷射3D打印品牌ExOne宣布,将大幅扩展金属3D打印系统的材料产品组合。
    的头像 发表于 04-28 14:55 1604次阅读

    我国成功研发无需粘合剂的生物仿生木材

    目前广泛使用的人造板,多由含甲醛的树脂粘合剂粘结木屑而成,有的可能会带来污染。近期,中国科学技术大学俞书宏院士团队深入解析生物质微观结构,利用天然结构的全新生物质表面纳米化策略,构筑出一种无需粘合剂的新型全生物质仿生木材。
    的头像 发表于 12-18 11:40 1447次阅读

    汉高电子粘合剂华南应用技术中心在华南启用

    续投入推动本土化创新,加强与消费电子客户的研发合作 中国上海—— 今日,汉高电子粘合剂华南应用技术中心在广东省东莞市正式启用。这是汉高粘合剂技术电子事业部在中国华南地区建立的首个技术中心,旨在更好
    的头像 发表于 08-16 15:39 1080次阅读

    PAA粘合剂在锂电池应用具有的性能优势

    作为电极活性材料的连接媒介,粘合剂对电池内阻、首效、倍率、高温等性能都会产生影响,因此选择合适的粘合剂产品对提升电池的性能至关重要。
    的头像 发表于 10-24 11:33 1.1w次阅读

    如何测试组织粘合剂的强度性能?拉力试验机的T剥离测试步骤解析

    在现代医学领域中,组织粘合剂已成为不可或缺的工具,广泛应用于绷带、二次敷料、伤口闭合和手术密封剂等多个应用场景。然而,在将这些粘合剂应用于患者之前,必须确保其强度性能符合高标准。一方面,过低的粘合
    的头像 发表于 07-26 10:20 450次阅读
    如何测试组织<b class='flag-5'>粘合剂</b>的强度性能?拉力试验机的T剥离测试步骤解析

    PCB环氧树脂胶粘合剂有啥作用?

    PCB环氧树脂胶粘合剂有啥作用?
    的头像 发表于 11-28 15:27 871次阅读

    ISO 8510-2 粘合剂-胶粘剂180°剥离试验机(软质与硬质粘合试样)

    ISO 8510-2粘合剂--软质与硬质粘合试样组件的剥离试验--第2部分:180°剥高是一项重要的国际标准
    的头像 发表于 06-12 17:37 798次阅读
    ISO 8510-2 <b class='flag-5'>粘合剂</b>-胶粘剂180°剥离试验机(软质与硬质<b class='flag-5'>粘合</b>试样)

    DELO推出可靠密封图像传感器的新型粘合剂

    来源:《半导体芯科技》杂志文章 DELO 针对常用于驾驶员监控系统的 CMOS 图像传感器新研发出一款可靠的密封粘合剂-DELO DUALBONDEG6290,它可将玻璃滤片直接粘合到半导体芯片上
    的头像 发表于 06-24 14:40 289次阅读

    LG化学进军汽车用粘合剂市场

    近日,LG化学宣布了一项重要决定,将正式进军汽车用粘合剂市场。据悉,该公司计划向北美电动汽车企业供应隔热粘合剂,并致力于将该业务规模扩大至数千亿韩元。 LG化学作为全球领先的化学材料制造商,在多个
    的头像 发表于 10-31 11:31 794次阅读