粘结剂在硅基锂离子电池中的应用研究

• 作 者: 曾祥宇
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 锂离子电池 硅负极 粘结剂

现阶段,容量高、安全性好、成本低的锂离子电池负极材料已经吸引广泛的研究兴趣。硅具有很高的理论比容量（4200 mA h/g）,大约是商业化石墨负极（372 mA h/g）的11倍左右,而且硅储量丰富、成本较低,因而被认为是最有前景的负极材料之一。然而,硅在电池循环中往往伴随着巨大的体积变化（大于300%）,进而会破坏电极结构,最终导致电池循环稳定性很差。电极材料中粘结剂主要用来将硅颗粒、导电助剂同金属集流体粘结起来,因此,性能优异的粘结剂可以有效地抑制硅颗粒的体积变化。本文设计了两种聚合物粘结剂用于稳定硅负极,提高硅基锂离子电池的电化学性能,主要工作及结论如下:（1）设计合成了一种乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂（VTES）交联聚丙烯酸钠（NaPAA）聚合物粘结剂（PVTES-NaPAA）。使用红外光谱、核磁氢谱证明了PVTES-NaPAA的结构。将PVTES-NaPAA粘结剂用于硅电极材料,进行了电化学性能分析。在0.2 C（1 C=4200 mA h/g）的电流密度下,使用PVTES-NaPAA粘结剂的硅基锂离子电池(Si_PVTES-NaPAA)初始容量为2654 mA h/g,循环100次后,电极材料仍可以保持2077 mA h/g,容量保持率为78.2%。这种电化学性能的提升可以归因于PVTES-NaPAA粘结剂在硅颗粒周围形成了三维交联网状结构,进而增强了与硅颗粒的相互作用。此外,通过剥离测试和拉伸测试发现,PVTES-NaPAA粘结剂的平均剥离力为3.9 N,杨氏模量为5.0 GPa,说明其具有出色的力学性能,可以抵抗硅颗粒的体积膨胀,进而维持电极结构不被破坏。（2）制备了一种聚多巴胺-聚丙烯酸钠（PDA-NaPAA）聚合物粘结剂。通过红外光谱分析证明了PDA-NaPAA的结构,并且将PDA-NaPAA作为硅负极材料的粘结剂制备成电极材料(Si_PDA-NaPAA),研究了其电化学性能。在0.2 C的电流密度下,Si_PDA-NaPAA电极初始容量为2021 mA h/g,在循环100次以后的容量为1535 mA h/g,容量保持率为75.9%。而且,Si_PDA-NaPAA具有很好的倍率性能,在0.8 C下仍有将近800 mA h/g的容量。此外,通过剥离测试发现,PDA-NaPAA粘结剂的平均剥离力为5.0 N,说明其具有出色的粘附性能,可以有效地将活性材料同金属集流体粘结起来,防止硅膨胀后的脱落问题,从而可以提升电池的循环性能。