汽车产业是国民经济的重要支柱产业,也是体现国家竞争力的标志性产业。新能源汽车基于驱动技术的重大转型,是汽车产业对能源安全、气候变化和结构升级的重要突破口。近年来,以电动汽车为代表的高新技术领域对锂离子电池的能量密度、使用寿命提出了更高的技术需求,亟需开发新型高比容电极材料,解决续航里程焦虑问题。硅负极理论容量高达4200 mAh/g,十倍于传统石墨负极,被认为是新一代高比能锂离子电池负极的理想选择。然而硅负极在充放电过程中存在着巨大的体积膨胀(>300%),由此产生的内应力易导致硅颗粒的严重粉化和界面膜的不稳定,严重阻碍了其实际应用。设计新型聚合物粘合剂用于硅负极被认为是一种缓减其体积膨胀、维持其结构稳定的有效方法,受到了研究人员的广泛关注。然而,目前已报道粘合剂易在大应力下产生分子链滑移,引起电极结构破坏,最终导致电池容量快速衰减。

  


  梯度氢键粘合剂的能量耗散次序示意图

  近日,受天然抗疲劳肌联蛋白高效应力耗散现象启发,西安交通大学宋江选教授团队报道了一种梯度氢键聚合物粘合剂用于解决高比容硅基负极大体积膨胀导致的应力破坏。研究人员利用具有超支化结构的单宁酸和聚(丙烯酸-co-2-羟乙基丙烯酸酯)构建了具有高效应力耗散功能的水系粘合剂。当应用于硅基负极时,该体系存在的多级氢键(-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以连续解离,高效地进行能量/应力耗散,从而避免了大应力导致的结构破坏,有效解决硅负极的大体积膨胀问题,显著提升其循环稳定性。所制备的2 Ah NCM/Si-C软包电池700次循环后容量保持率高达80.2%,有力地证明了该梯度能量耗散型粘合剂的实用性。研究人员进一步通过变温红外光谱、核磁共振等表征方法并结合有限元模拟揭示了梯度氢键的演化和能量耗散机制。相关成果发表在国际知名期刊《先进材料》(Advanced Materials)上,西安交通大学材料学院博士生虎琳琳为文章第一作者。在此基础上,团队进一步基于动态二硫键的交换作用发展了兼具自修复功能和应力耗散功能的双功能聚合物粘合剂,实现硅基负极裂纹的快速自修复,相关成果发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。新型自适应智能粘合剂的开发为高比容电极材料的广泛应用奠定了坚实基础。

  上述成果均以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位,通讯作者为西安交通大学材料学院宋江选教授,论文合作者包括材料学院Goran Ungar教授、邓俊楷教授、张启路副教授。论文表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和西安交通大学青年拔尖人才计划等资助。