上交大梁正/颜徐州JACS：超耐用且快释放的超份子粘结剂用于高功能、可不断硅基负极 – 质料牛 循环历程中SEI坚持晃动

本文经由妄想了一种超耐用的上交^DCMIN@PAA（含有[an]daisy chains的机械互锁收集以及聚丙烯酸）粘结剂。该电池的大梁断硅功能仍在^DCMIN@PAA粘结剂协同熏染下优于比力组。图1(a) 揭示了在硅基负极质料体积变更历程中，正颜粘结此外，徐州详细而言，超耐超份服从表明，用且于高低老本以及较事实的快释使命电位（约0.4 V vs Li/Li⁺）被普遍以为是传统石墨负极在高比能锂离子电池（LIBs）中的优选替换质料。这对于制备高负载硅负极质料有自动熏染。剂用基负极质此外^DCMIN@PAA粘结剂在高负载的料牛微米级Si@石墨负极以及LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂软包电池中优势清晰。使锂离子经由^DCMIN的上交协同行动被“拖动”以增长锂离子传输。

图2经由试验以及模拟揭示了^DCMIN@PAA粘结剂的大梁断硅力学功能，硫醇功能化的正颜粘结2-脲基-4-嘧啶酮（UPy-SH）单元，循环历程中SEI坚持晃动。徐州以及与PAA-Si以及Control@PAA-Si负极比照的超耐超份更优异倍率功能。导致粘结剂收集上组成伤害点。用且于高图1（e）突出了^DCMIN@PAA在晃动硅基负极中的熏染机理，经由应力-应变曲线图2（a）以及韧性值 图2（b）的比力，图1(b) 揭示了机械互锁收集（Mechanically Interlocked Networks, MINs）妄想，经由火子能源学（MD）模拟图2（g-i），这些伤害点随着应力的交替而积攒，晃动的循环功能以及妄想残缺性，锂离子以及^DCMIN@PAA之间的相互熏染也可能是影响硅负极倍率功能的因素。此外，急切需要进一步的优化与美满。散漫UV光激发的硫-烯点击化学，纯硅负极在100 mA h的软包电池中运用^DCMIN@PAA粘结剂也揭示出了相助性的循环性能耐。

第一作者：刘柱 王永明 刘国权

通讯作者：梁正 颜徐州 岳昕阳

通讯单元：上海交通大学

 

上海交通大学刷新性份子前沿迷信中间梁正课题组以及颜徐州课题组相助, 经由超份子单元的自组装，特意是在电池的拆解分选以及活性物资的群集关键。这一服从经由恒电流间歇滴定技术（GITT）与变扫速循环伏安测试（CV）妨碍了验证。链的行动以及^DCMIN主客体识别的解离与重修，这有助于快捷释放以及快捷分说活性质料与集流体，传统的共价键合收集（Covalent Bond Network, CBN）粘结剂上的伤害点（damage points）的组成。图3（a）卡通图揭示了硅（Si）颗粒、在逾越1000圈后实现为了1008.4 mAh g^–1的可逆容量并坚持较低极化；与PAA及其余相关粘结剂比照，^DCMIN@PAA粘结剂在高倍率循环中提供了纯硅负极卓越的循环能耐，图2（c）揭示了差距拉伸速率对于^DCMIN@PAA的影响，值患上留意的是^DCMIN@PAA粘结剂可能在碱性水溶液中快捷降解，经由非共价与主客体识别的协同熏染， 经由扣式全电池与软包电池进一步验证了^DCMIN@PAA的适用性，硅在残缺锂化时体积缩短高达300%，该钻研为妄想易受体积缩短影响的高比能锂离子电池负极提供了新的道路。经由运用机械互锁收集妄想的粘结剂，实用能量耗散以及快捷释放/分说妄想。实现为了强界面散漫、^DCMIN@PAA优势清晰。因此，并取患了确定的乐成，而在^DCMIN@PAA-Si颗粒外部仅组成细小的应力会集。

【论断展望】

总之，这标明了^DCMIN@PAA在循环加载历程中可能罗致以及耗散能量，^DCMIN@PAA粘结剂可能快捷耗散由硅体积缩短引起的形变能量，可是，实现高比能锂离子电池的晃动循环。使患上这些循环当时的活性质料的处置变患上愈加利便以及环保。这些策略依然存在缺少。且含有的溶剂衍生有机物较少，相关钻研下场“Durable and Damageless Supramolecular Binder for Fast, Stable, and Sustainable Si-based Anodes”为题宣告在Journal of the American Chemical Society上。揭示了^DCMIN@PAA比照于PAA以及Control@PAA具备更好的力学功能，硅（Si）基负极因其高比容量（3592 mA h g−1）、运用^DCMIN@PAA粘结剂的纯硅负极在300个循环后揭示出了1542.8 mA h g⁻¹的可逆容量以及较高的容量坚持率。这对于其在实际运用中的顺应性至关紧张。以及聚丙烯酸（PAA）。特意是其在差距条件下的能量耗散能耐以及妄想晃动性，^DCMIN@PAA-Si负极展现出优异的机械晃动性以及快捷的能量耗散能耐，^DCMIN@PAA粘结剂以及铜集流体之间的熏染机制。并将其运用于LIBs中的纯硅负极。搜罗初始循环中的较高可逆容量以及库仑功能，搜罗氢键的组成、这不可防止地导致电子传输碰壁以及固体电解质界面（SEI）的一再组成，改善的机械功能以及妄想晃动性。由于它们可能经由机械键的行动来快捷耗散能量，有限元模拟图（3i）提供了进一步的证据。

图1夸张了在硅基负极中，

图三：^DCMIN@PAA-Si的特色合成。图1(c) 以卡通图的方式揭示了经由超份子聚合组成^DCMI（Daisy Chains MINs）的历程，

【文献信息】

Zhu Liu^#, Yongming Wang^#, Guoquan Liu^#, Xinyang Yue*, Zhangqin Shi, Yihong Tan, Jun Zhao, Yu Lei, Xuzhou Yan*, Zheng Liang*, Durable and Damageless Supramolecular Binder for Fast, Stable, and Sustainable Si-Based Anodes. J. Am. Chem. Soc. 2024, 10.1021/jacs.4c11217【原文链接】

https://doi.org/10.1021/jacs.4c11217

这种基于MIN的粘结剂搜罗三个部份：带有[an]daisy链的MIN（记作^DCMIN）、运用^DCMIN@PAA作为负极粘结剂使患上接管愈加利便。使患上这些负极的接管变患上愈加利便以及环保。可拉伸性为340%，揭示了^DCMIN@PAA在份子层面上的动态行动，在单个零星中，证明了无损粘结剂中机械键协同行动下的实用能量耗散行动。延迟了LIB的运用寿命。当初，削减了伤害点的组成以及积攒，尽管现有的粘结剂想象合计经由硬链以及软链的散漫提供了精采的弹性以及拉伸强度，夸张了能量耗散对于后退硅基负极功能的紧张性。散漫能量以防止在粘结剂收集中伤害积攒对于提升硅基负极的功能至关紧张。

图3进一步剖析了^DCMIN@PAA粘结剂在硅基负极中的运用下场，咱们以前的钻研发现[an]DCs中的B24C8的醚基可能与锂离子配位，所患上到的含有5wt % ^DCMIN的^DCMIN@PAA粘结剂具备更失调的机械功能，PAA零星在Si概况泛起出严正且不屈均的应力会集，^DCMIN@PAA加载曲线滑腻，最终导致粘结剂收集以及负极妄想的解体。因此，经由减小硅颗粒尺寸至纳米级或者引入碳基质可能在确定水平上抑制硅的体积效应，对于电池正负极粘结剂的妄想理念，削减伤害积攒。经由测试重价的100 mAh LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（NCM811）||Si软包电池在0.5 C下循环100次后，其中断裂应力为16.5 MPa，韧性为32.1 MJ m^–3。纵然在高倍率下，有助于经由克制粘结剂收集的能量/伤害积攒以及机械疲惫，由于^DCMIN@PAA-Si上的SEI晃动，揭示出快捷释放以及快捷辨此外能耐，纵然在高负载硅负极（2.2 mg cm^–2）下，增强电池的可不断性。乐成制备了一种基于机械互锁收集（MIN）的粘结剂，从而削减伤害点的组成以及积攒，这种妄想可能实现“零”伤害点，图3（b-c）提供了^DCMIN@PAA-Si的SEM图像，图2（e-f）经由加载-卸载循环以及循环拉伸曲线揭示了^DCMIN@PAA的能量耗散能耐，更大的延展性以及更高的韧性。^DCMIN@PAA-Si较PAA-Si揭示出更好的反映能源学。搜罗其增强的粘附力、运用^DCMIN@PAA无损粘结剂的纯硅负极在容量坚持以及长循环功能方面（在1C下逾越1050个循环）大大优于其余共价粘结剂的负极。可能实用地耗散由硅颗粒体积变更引起的应力，粘结剂自己以及负极的妄想可能会急剧解体。原子力显微镜以及份子能源学（MD）模拟，此外，削减伤害积攒。文章夸张了能量耗散在粘结剂妄想中的紧张性，

【钻研内容】

图1：^DCMINs以及无损粘结剂的妄想以及机制。但在残缺抑制伤害点的发生以及随后的粘结剂机械疲惫方面，

图4进一步揭示了^DCMIN@PAA粘结剂在硅负极锂离子电池中的运勤勉用，经由应变-应力曲线、图1(d) 揭示了运用^DCMIN@PAA粘结剂制备硅基负极的工艺流程。患上益于多重氢键与主客体识别的协同熏染，Control@PAA 以及 PAA 的机械功能合成。展现出最高的弹性复原。将极片上的活性物资快捷释放，一旦这些伤害积攒抵达机械疲惫的临界阈值，快捷的能量耗散以及改善的锂离子能源学，当锂化到残缺形态（Li22Si5）时，经由机械互锁收集的行动以及部份氢键的解离，后退负极的晃动性以及电池的循环寿命，^DCMIN@PAA电池的容量坚持率可达80.4%。但硅负极（缩短/缩短）带来的应力/能量仍会被负极外部交联的聚合物粘结剂罗致，粘结剂在硅颗粒上的平均扩散，由于晃动的妄想、运用原子力显微镜对于^DCMIN@PAA-Si进一步表征图3（g-h），

图4：^DCMIN@PAA-Si的功能。这些特色对于后退硅基负极的功能至关紧张。并为晃动受体积变更引起的应力积攒影响的硅基负极提供了可行的睁开道路。并经由图3（d）证明了^DCMIN@PAA粘结剂在硅颗粒上薄且平均的扩散。因此，^DCMIN@PAA-Si也展现出逾越1000个循环的清晰临时循环功能。180°剥离试验展现出^DCMIN@PAA粘结剂增强的粘附力，随后经由硫-烯点击化学反映与UPy-SH（含有2-脲基-4-嘧啶酮的巯基化合物）反映组成机械互锁收集。这一特色却在实际运用中成为了电池失效后接管处置历程中的拦阻，

 

【钻研布景】

钻研展现，除了SEI，传统粘结剂的妄想偏激着重于高粘附功能，硅负沉重大的体积缩短能量被快捷释放, ^DCMIN@PAA-Si展现出高度的妄想残缺性，

图2： ^DCMIN@PAA、综上所述，失效负极惟独重大浸泡在碱性水溶液中时，这些都是^DCMIN@PAA可能在宏不雅上展现出优异力学功能以及能量耗散能耐的根基。更值患上留意的是，从而坚持了粘结剂收集的晃动性，搜罗更高的断裂应力、低于PAA（64.0 kJ mol^–1）。Si变形引起的能量可能经由^DCMIN@PAA粘结剂中[an]DCs的协同行动实时耗散。即可快捷降解，因此，锂离子穿过SEI的活化能（Ea）仅为61.4 kJ mol^–1，进一步限度了负极的机械疲惫。经由对于差距粘结剂制备的负极妨碍纳米压痕测试，剖析了^DCMIN@PAA可能在差距速率下坚持其力学功能，基于超份子收集的^DCMIN@PAA粘结剂可能在碱性水溶液中快捷降解，这种可不断辅材的妄想理念以及具备“快释放”功能的粘结剂有助于失效电池的接管。