基于新型自修复聚合物粘结剂的锂电池硅负极研究

With extremely high specific capacity, silicon has attracted enormous interests as a promising anode material for the next-generation lithium-ion battery. However, silicon suffers large volume variation during repeated charge/discharge cycles, which leads to the pulverization of silicon and subsequent separation from the conductive additives, eventually resulting in rapid capacity fading and poor cyclic life. Here we show that the utilization of a quadruple hydrogen bonding supramolecular polymer, which can be facilely synthesized by the radical copolymerization of tert-butyl acrylate and a ureido pyrimidinone (UPy) monomer followed by hydrolysis, could greatly relieve the effect of volume variation of silicon particles. The obtained polymer can consist of self-healing property as its strong quadruple hydrogen bonding. The electrodes using this supramolecular polymer as binder are expected to significantly improve of both a high capacity (>3800 mAh/g) with long cycling life (>2500 mAh/g after 200 cycles) and favorable initial columbic efficiency (>85%). Therefore, this supramolecular strategy may increase the choice of amendable binders to improve cycle lives and energy density of high-capacity Li-ion battery electrodes.

硅材料是开发高容量锂离子电池的理想负极材料之一，但其在充放电过程的显著的体积效应导致其电化学性能衰减，制约了硅材料商业化应用。使用具有自修复功能的弹性聚合物粘结剂是缓解硅材料体积效应的有效途径。然而，新能源汽车的高速发展对锂离子电池的比容量和循环性能有更高的要求，需要硅负极在有限的时间内对电极的微裂纹有快速、充分的修复。因此，修复速度快、修复效率高的自修复聚合物粘结剂亟待开发。基于此，本项拟合成基于四重氢键相互作用的自修复超分子聚合物粘结剂聚丙烯酸-酰脲嘧啶酮（PAA-UPy），研究PAA-UPy/Si复合电极电化学储能性能，建立材料-结构-性能构效关系。通过对复合电极自修复机制的深入理解，期望本项目能够开发出得到一类比容量不低于3800mAh/g、循环200周后比容量不少于2500mAh/g的实用型高性能复合硅负极，并为设计开发新型自修复聚合物粘结剂提供新思路，促进硅负极的商业化应用。

硅材料是开发高容量锂离子电池的理想负极材料之一，但其在充放电过程中的显著的体积效应导致其电化学性能衰减，制约了硅材料商业化应用。使用具有自修复功能的弹性聚合物粘结剂是缓解硅材料体积效应的有效途径。本项目合成基四重氢键的自修复聚合物并将其应用于硅负极粘结剂，系统研究自修复聚合物的合成制备工艺、材料自修复性质、复合电极结构与电化学性能、电极的自修复行为与机制。自修复聚合物能够通过化学键（共价键）和非化学键（氢键）与活性物质相连，粘结性强，使电极有更好的结构稳定性。自修复聚合物还可以促进活性物质表面包覆一层类似固体电解质相界面膜，阻止电解液分解。此外，其自修复性质可以确保分子链在重复的充放电过程中保持三维弹性网络的一致性，确保电极极的电化学长期循环稳定性。项目组紧紧围绕自修复基高分子粘结剂的合成、自修复复合电池电极的制备、复合电极的电化学性能评估与提升、自修复粘结剂自修复作用机制研究的目标，结合我们关于自修复高分子粘结剂的研究基础，个性化地构建了基于多重氢键作用的自修复粘结剂基电池电极。项目组合成了系列具有良好自修复特性的高分子，并以此作为锂离子电池的粘结剂，制备得到了电化学性能优异的复合电极，发现该复合电极具有良好的倍率性能和长期循环稳定性。本项目的研究成果为高性能硅负极粘结剂的开发与应用提供新的制备方法、可靠的理论依据并积累丰富的实验数据，对推动自修复聚合物粘结剂基复合电池电极的商业化具有重要科学意义。