硅由于高的理論比容量（3579?mAh?g-1）而被認(rèn)為是最具有前景的鋰離子電池（LIBs）負(fù)極材料之一。但是硅負(fù)極材料在循環(huán)的過(guò)程中極大的體積膨脹會(huì)使其電池容量衰減迅速，阻礙了硅負(fù)極材料的進(jìn)一步應(yīng)用。高分子粘結(jié)劑的應(yīng)用能夠有效提高鋰離子電池硅負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，因此關(guān)于高分子粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合成成為近幾年的研究熱點(diǎn)。壓敏膠粘劑在日常生活中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用于膠粘帶、標(biāo)簽紙等。
近期，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak?Ridge National Laboratory）的曹鵬飛研究員以及南開(kāi)大學(xué)的楊化濱研究員團(tuán)隊(duì)將壓敏膠粘劑的重要成分之一——丙烯酸異辛酯應(yīng)用于硅負(fù)極高分子粘結(jié)劑之中，證明了這種基于壓敏膠粘劑的聚合物同樣能很好的粘聯(lián)住硅納米顆粒及其周圍的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著的提升硅負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性（圖一）。目前這一成果發(fā)表在《ACS Applied Energy Materials》上，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的曹鵬飛和南開(kāi)大學(xué)的楊化濱為共同通訊作者。
這種基于壓力敏感型膠粘劑的聚合物通過(guò)丙烯酸異辛酯（2-EHA）以及丙烯酸（AA）共聚而成。AA可以與硅表面形成氫鍵從而增強(qiáng)與硅表面的作用，而2-EHA能夠提升聚合物的粘彈性。調(diào)節(jié)2-EHA與AA的比例可以得到一系列不同AA密度以及不同粘彈性的高分子粘結(jié)劑。通過(guò)原子力顯微鏡以及180o剝離測(cè)試等表征發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)粘結(jié)劑具有合適的粘彈性以及AA基團(tuán)密度的時(shí)候（20 mol%的2-EHA，PSA-20%），才能夠與硅表面以及銅集流體表面形成最強(qiáng)的粘結(jié)力（圖二）。同時(shí)美國(guó)的Konstantinos D. Vogiatzis教授用理論計(jì)算表明，相對(duì)于聚丙烯酸，適當(dāng)含量的2-EHA單元的聚合物能夠顯著提升與二氧化硅表面的結(jié)合能。
他們首先用不同2-EHA與AA比例的聚合物作為硅負(fù)極的高分子粘結(jié)劑，得到的循環(huán)性能如圖三所示，PSA-20%具有最佳的電化學(xué)性能。為了進(jìn)一步探究PSA-20%作為粘結(jié)劑的性能，他們選用了聚丙烯酸粘結(jié)劑為對(duì)照組。如圖四（A）所示，相比于聚丙烯酸為粘結(jié)劑的硅負(fù)極（Si-PAA），Si-PSA-20%的穩(wěn)定性顯著提升。同時(shí)在大電流（1.8 A g-1）以及高的硅負(fù)載量（1.2 mg cm-2）的條件下，Si-PSA-20%同樣具有更好的電化學(xué)性能，分別如圖四（B）和圖四（C）所示。PSA-20%用作硅/石墨復(fù)合電極材料的粘結(jié)劑同樣具有不錯(cuò)的效果，在1.8 A g-1的電流密度下循環(huán)1000周仍然能保持606 mAh g-1的比容量，如圖四（D）所示。他們通過(guò)對(duì)這種基于壓敏膠粘劑的聚合物在硅電極應(yīng)用的研究，為廉價(jià)但高效的高分子粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。
參考文獻(xiàn)：
Yiyang Pan?et?al.?Adhesive Polymers as Efficient Binders for High-Capacity Silicon Electrodes,?DOI:?10.1021/acsem.9b02420
