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锂离子电池硅基负极黏结剂的研究新进展

高翔;国媛;魏迪锋;罗英武;苏荣欣

【摘要】硅具有较高的理论比容量,被认为是极具应用前景的锂离子电池负极材料.

然而,硅在充放电过程中会产生巨大的体积变化,导致电极粉化脱落和容量的迅速下

降,限制了硅基负极材料的应用.黏结剂是锂离子电池中一个不可或缺的组成部分,对

体积变化较大的硅基负极而言,除了满足作为锂离子电池黏结剂的基本要求外,对黏

结剂的结构和性能又提出了新的要求,黏结剂的选择对于增强硅基电极结构的稳定

性并实现长期循环具有更加重要的意义.总结了近年来硅基负极材料黏结剂的研究

进展,重点介绍了用于硅基负极材料的交联类黏结剂、导电类黏结剂和自修复类黏

结剂等几种黏结剂的性能特点和应用,为选择和设计更加适合的硅基负极黏结剂提

供研究建议.

【期刊名称】《化工学报》

【年(卷),期】2018(069)011

【总页数】9页(P4605-4613)

【关键词】锂离子电池;硅基负极;黏结剂;聚合物;制备;电化学

【作者】高翔;国媛;魏迪锋;罗英武;苏荣欣

【作者单位】化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,浙

江杭州310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学院,

浙江杭州310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程学

院,浙江杭州310027;化学工程联合国家重点实验室,浙江大学化学工程与生物工程

学院,浙江杭州310027;化学工程联合国家重点实验室,天津大学化工学院,天津

300072

【正文语种】中文

【中图分类】TM911

引言

锂电池凭借其比容量高、循环寿命长、自放电小等优点被广泛应用于电动汽车、便

携电子产品等领域[1]。但是，目前仍存在电动汽车单次充电行驶里程短、充电时

间过长，便携电子产品电池续航能力不足、容量衰减过快等问题。目前可用于锂离

子电池负极的材料种类较多，包括已商品化的石墨及其改性材料、硅基材料、新型

合金材料和其他材料。石墨的理论比容量只有372（mA·h）/g[2]，远不能满足

电动汽车和先进电子设备的快速发展对高能量密度锂离子电池的需求。硅负极材料

相对于传统石墨材料比容量提高了十余倍，其理论容量可达到4200（mA·h）

/g[3]，并且脱嵌锂电位较低（对锂电位＜0.5V），在自然界中含量丰富，成为

一种极具发展潜力的锂离子电池负极材料，受到研究者们的广泛关注[4]。但是，

由于硅在充放电过程中，硅基材料会产生严重的体积变化[5]（体积变化超过

300%），硅基负极失效机理如图1所示，巨大的体积变化会引起活性材料颗粒粉

化、电极结构的破坏（活性材料与导电剂之间失去点连接性以及电极与导电集流体

脱落）以及不稳定固体电解液膜（SEI）的形成，从而导致硅基负极的容量衰减迅

速、循环寿命短，使硅材料在锂离子电池上很难实现实际应用[6-8]。

图1Si电极失效机理[6]Fig.1Sielectrodefailuremechanisms[6]

长期以来，硅基材料的开发一直是锂离子电池工作者研究的重点，大多数研究者都

从材料自身的角度出发，使其性能得到了很大的改观[9]。将硅材料纳米化和复合

化，使用纳米结构的硅材料，如硅纳米颗粒[10-11]、硅纳米线管[12-17]等可以缓

解体积膨胀产生的应力，克服了材料的粉化问题，将硅与惰性材料[18-19]或活性

材料[20-23]嵌锂基体结合，一定程度上缓解硅的体积变化，尤其是碳或导电聚合

物包覆结构的复合材料可以改善硅材料的表面特性，将SEI膜限制在包覆层表面，

实现稳定SEI膜的形成[24-26]，但是硅在循环过程中固有的体积变化是始终存在

的。为了实现硅基负极材料的实际应用，电极中的非活性成分（黏结剂）受到了更

多的关注和研究，它以相对较低的质量分数将活性物质和导电剂黏合在集流体上，

使电极可以保持其完整性和具有良好的电连接性[27-28]，黏结剂的选择对于增强

硅基电极结构的稳定性实现长期循环具有重要的意义。

目前商业化的正、负极材料制备过程中选用的黏结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）[29-

30]，其机械强度和与材料的附着能力不能有效缓冲硅嵌/脱锂过程中的巨大体积效

应，用于硅基负极时，会造成活性材料与导电剂之间失去电连接性以及电极与导电

集流体脱落，使其容量迅速衰减。研究结果表明，羧甲基纤维素钠（CMC）和聚

丙烯酸（PAA）黏结剂相比于聚偏氟乙烯（PVDF）可以提高硅基负极的电化学性

能[31-32]，对于