在现代锂离子电池的研发中，硅负极因其理论容量高（约4200 mAh/g）而成为提升电池能量密度的关键材料。然而，硅负极在充放电过程中会发生显著的体积膨胀和收缩，这一现象导致硅颗粒破裂、电解液渗漏以及电极与电解液界面的不稳定，进而严重影响电池的循环寿命和充放电效率。因此，如何优化硅负极的结构和性能，已成为当前锂电池研究中的重要课题。在硅负极的设计中，粘结剂扮演着至关重要的角色。它不仅需要有效地将活性材料固定在集流体上，还需要确保电极的结构稳定。然而，传统的非导电粘结剂往往无法提供足够的电子导电性，这限制了电池性能的提升。同时，传统的线性粘结剂在硅负极的充放电过程中难以应对硅颗粒的体积变化，导致电极结构不稳定，从而影响电池的循环寿命和长期稳定性。
为了解决硅负极在循环过程中体积膨胀与电导率差的问题，四川大学的喻媛媛博士和姜猛进教授在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了一项具有突破性的研究，题为“An Advanced 3D Crosslinked Conductive Binder for Silicon Anodes: Leveraging Glycerol Chemistry for Superior Lithium-Ion Battery Performance”（Hot Paper）。该研究提出了一种创新的三维交联n型双导电粘结剂——聚噁二唑（POD-c-GL）粘结剂。与传统的非导电性粘结剂相比，这种新型粘结剂在显著提高电池的充放电效率的同时，也大幅延长了电池的使用寿命。实验结果表明，采用POD-c-GL粘结剂的硅负极在2 A g-1下经过1000次充放电循环后，仍能保持约75%的容量保持率，展现了卓越的循环稳定性。与传统非导电粘结剂不同，POD-c-GL粘结剂具备离子和电子双导电性，能够在硅负极材料内部形成稳定的导电网络，从而显著提升电池的电导性。其独特的n型掺杂特性使得粘结剂在硅负极工作电位下保持稳定的掺杂态，确保电子和离子的连续传输。此外，通过与甘油原位反应，POD-c-GL粘结剂不仅实现了化学与物理共同交联，还形成了高弹性、高强度的三维交联结构。这种结构使得粘结剂能够有效承受硅颗粒在充放电过程中发生的体积膨胀，避免了电极结构的破坏，从而显著提升了电池的机械稳定性和循环寿命。总的来说，POD-c-GL粘结剂通过双导电性和交联结构的创新设计，显著提升了硅负极的电化学性能，不仅解决了传统粘结剂无法应对硅膨胀的问题，还为实现高能量密度、长寿命锂电池提供了新的思路和解决方案。图1. Si@LPOD和Si@POD-c-GL电极在循环过程中的形态演变示意图POD-c-GL粘结剂实现了离子和电子双导通，成功解决了传统硅负极材料中电荷传导路径不畅的问题。更重要的是，交联化学的引入使得粘结剂具备了自我调节的能力，在充放电过程中适应硅颗粒的体积变化，避免了电极结构的破裂。研究表明，POD-c-GL的本征离子电导率达到了2.24 × 10-4 S cm-1，n掺杂后，离子电导率和电子电导率均大幅提升，其中电子电导率高达5.84 × 10-2 S cm-1。此外，交联后显著提高了粘结剂的弹性模量和剥离力。通过这一创新的多功能设计，POD-c-GL粘结剂能在硅负极表面形成稳定的电子和离子导电网络，有效抑制硅颗粒膨胀引发的负面效应，使硅负极在经历多次充放电后，依然保持良好的电化学性能。
图2. LPOD与GL缩合形成交联的POD-c-GL粘结剂示意图以及化学键与物理键表征通过电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安（CV）和长周期循环性能测试等多种实验手段，我们充分验证了POD-c-GL粘结剂在硅负极中的效果。实验结果表明，采用POD-c-GL的硅负极在电化学性能上远超传统粘结剂和线性POD的表现，不仅循环稳定性大幅提升，而且在高倍率充放电条件下，依然能保持较高的比容量。具体来说，使用POD-c-GL粘结剂的硅负极，在2 A g-1高电流密度下经过1000次充放电循环后，仍能保持约75%的容量保持率，而传统粘结剂的容量保持率仅为40%左右。此外，电池在高倍率下也展现了良好的充放电性能，充电速度和循环效率显著提高。硅负极的高容量潜力和新型粘结剂的创新设计为锂电池的进一步发展提供了强大动力。随着电动汽车、可再生能源存储技术的迅速发展，对锂电池性能的要求愈加严苛。我们设计的POD-c-GL粘结剂不仅能提升硅负极材料的电化学性能，还为下一代高能量密度电池的开发提供了新的方向。随着技术的不断优化和产业化进程的推进，POD-c-GL粘结剂有望在电动汽车、便携式电子设备及大规模储能系统中得到广泛应用，进一步推动锂电池技术的发展，助力绿色能源革命的实现。原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202418794声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
