锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展

张景硕 翟越 赵子云 何家兴 魏伟 肖菁 吴士超 杨全红

引用本文: 张景硕, 翟越, 赵子云, 何家兴, 魏伟, 肖菁, 吴士超, 杨全红. 锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306006 shu
Citation:  Jingshuo Zhang, Yue Zhai, Ziyun Zhao, Jiaxing He, Wei Wei, Jing Xiao, Shichao Wu, Quan-Hong Yang. Research Progress of Functional Binders in Silicon-Based Anodes for Lithium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(6): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306006 shu

锂离子电池硅基负极用功能粘结剂的研究进展

    通讯作者: 吴士超, ; 杨全红,
  • 基金项目:

    国家重点研究发展计划 2021YFF0500600

    国家自然科学基金 U2001220

    国家自然科学基金 52272231

摘要: 硅(Si)具有超高的理论比容量、较低的嵌锂电位及丰富的储量等优势,是发展高比能锂离子电池的关键负极材料。同纳米Si相比,低成本、高振实密度和低界面反应的微米Si应用于高体积能量密度器件独具优势。然而其300%体积形变产生的巨大应力,使得颗粒破碎粉化、电极结构退化以及导电网络失效等问题更为严峻,极大制约了其商业化进程。粘结剂是适应Si体积变化,提供稳定导电网络的重要手段。开发高容量、高稳定微米Si基负极对粘结体系设计提出了更大的挑战。本文首先阐明了粘结剂的基础功能与粘结机制,然后从自愈合、电子导电、离子导电以及参与固态电解质层构建四个方面,总结了Si基负极用功能粘结剂的设计策略和作用原理,最后展望了面向实用化的Si基负极功能粘结剂面临的挑战和未来发展方向。

English

    1. [1]

      殷鸿尧, 于跃, 李宗诚, 张港鸿, 冯玉军. 物理化学学报, 2019, 35, 1341. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904042Yin, H. Y.; Yu, Y.; Li, Z. C, ; Zhang, G. H.; Feng, Y. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1341. doi: 10.3866/PKU.WHXB201904042

    2. [2]

      Kwon, T. W.; Choi, J. W.; Coskun, A. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 2145. doi: 10.1039/c7cs00858a

    3. [3]

      Tan, D. H. S.; Chen, Y. -T.; Yang, H.; Bao, W.; Sreenarayanan, B.; Doux, J. -M.; Li, W.; Lu, B.; Ham, S. -Y.; Sayahpour, B.; et al. Science 2021, 373, 1494. doi: 10.1126/science.abg7217

    4. [4]

      Kovalenko, I.; Zdyrko, B.; Magasinski, A.; Hertzberg, B.; Milicev, Z.; Burtovyy, R.; Luzinov, I.; Yushin, G. Science 2011, 334, 75. doi: 10.1126/science.1209150

    5. [5]

      Choi, S.; Kwon, T. -W.; Coskun, A.; Choi, J. W. Science 2017, 357, 279. doi: 10.1126/science.aal4373

    6. [6]

      Xiao, J.; Han, J.; Kong, D.; Shi, H.; Du, X.; Zhao, Z.; Chen, F.; Lan, P.; Wu, S.; Zhang, Y.; et al. Energy Storage Mater. 2022, 50, 554. doi: 10.1016/j.ensm.2022.05.034

    7. [7]

      Ren, Y.; Xiang, L.; Yin, X.; Xiao, R.; Zuo, P.; Gao, Y.; Yin, G.; Du, C. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110046. doi: 10.1002/adfm.202110046

    8. [8]

      Pan, S.; Han, J.; Wang, Y.; Li, Z.; Chen, F.; Guo, Y.; Han, Z.; Xiao, K.; Yu, Z.; Yu, M.; et al. Adv. Mater. 2022, 34, 2203617. doi: 10.1002/adma.202203617

    9. [9]

      Mu, T.; Sun, Y.; Wang, C.; Zhao, Y.; Doyle-Davis, K.; Liang, J.; Sui, X.; Li, R.; Du, C.; Zuo, P.; et al. Nano Energy 2022, 103, 107829. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.107829

    10. [10]

      Han, J.; Tang, D. M.; Kong, D.; Chen, F.; Xiao, J.; Zhao, Z.; Pan, S.; Wu, S.; Yang, Q. H. Sci. Bull. 2020, 65, 1563. doi: 10.1016/j.scib.2020.05.018

    11. [11]

      Wu, H.; Chan, G.; Choi, J. W.; Ryu, I.; Yao, Y.; McDowell, M. T.; Lee, S. W.; Jackson, A.; Yang, Y.; Hu, L.; et al. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 310. doi: 10.1038/nnano.2012.35

    12. [12]

      Yu, Y.; Gu, L.; Zhu, C.; Tsukimoto, S.; van Aken, P. A.; Maier, J. Adv. Mater. 2010, 22, 2247. doi: 10.1002/adma.200903755

    13. [13]

      Hu, Y. S.; Demir-Cakan, R.; Titirici, M. M.; Muller, J. O.; Schlogl, R.; Antonietti, M.; Maier, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1645. doi: 10.1002/anie.200704287

    14. [14]

      Magasinski, A.; Dixon, P.; Hertzberg, B.; Kvit, A.; Ayala, J.; Yushin, G. Nat. Mater. 2010, 9, 353. doi: 10.1038/nmat2725

    15. [15]

      Zhao, Z.; Han, J.; Chen, F.; Xiao, J.; Zhao, Y.; Zhang, Y.; Kong, D.; Weng, Z.; Wu, S.; Yang, Q. H. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2103565. doi: 10.1002/aenm.202103565

    16. [16]

      Chen, F.; Han, J.; Kong, D.; Yuan, Y.; Xiao, J.; Wu, S.; Tang, D. M.; Deng, Y.; Lv, W.; Lu, J.; et al. Natl. Sci. Rev. 2021, 8, 12. doi: 10.1093/nsr/nwab012

    17. [17]

      Chen, J.; Fan, X.; Li, Q.; Yang, H.; Khoshi, M. R.; Xu, Y.; Hwang, S.; Chen, L.; Ji, X.; Yang, C.; et al. Nat. Energy 2020, 5, 386. doi: 10.1038/s41560-020-0601-1

    18. [18]

      Zhu, T.; Sternlicht, H.; Ha, Y.; Fang, C.; Liu, D.; Savitzky, B. H.; Zhao, X.; Lu, Y.; Fu, Y.; Ophus, C.; et al. Nat. Energy 2023, 8, 129. doi: 10.1038/s41560-022-01176-6

    19. [19]

      McBrayer, J. D.; Rodrigues, M. -T. F.; Schulze, M. C.; Abraham, D. P.; Apblett, C. A.; Bloom, I.; Carroll, G. M.; Colclasure, A. M.; Fang, C.; Harrison, K. L.; et al. Nat. Energy 2021, 6, 866. doi: 10.1038/s41560-021-00883-w

    20. [20]

      Wang, Q.; Zhu, M.; Chen, G.; Dudko, N.; Li, Y.; Liu, H.; Shi, L.; Wu, G.; Zhang, D. Adv. Mater. 2022, 34, 2109658. doi: 10.1002/adma.202109658

    21. [21]

      Lopez, J.; Mackanic, D. G.; Cui, Y.; Bao, Z. Nat. Rev. Mater. 2019, 4, 312. doi: 10.1038/s41578-019-0103-6

    22. [22]

      Li, P.; Kim, H.; Myung, S. -T.; Sun, Y. -K. Energy Storage Mater. 2021, 35, 550. doi: 10.1016/j.ensm.2020.11.028

    23. [23]

      Zhao, Y. M.; Yue, F. S.; Li, S. C.; Zhang, Y.; Tian, Z. R.; Xu, Q.; Xin, S.; Guo, Y. G. InfoMat 2021, 3, 460. doi: 10.1002/inf2.12185

    24. [24]

      Kwon, T. -W.; Choi, J. W.; Coskun, A. Joule 2019, 3, 662. doi: 10.1016/j.joule.2019.01.006

    25. [25]

      安惠芳, 姜莉, 李峰, 吴平, 朱晓舒, 魏少华, 周益明. 物理化学学报, 2020, 36, 1905034. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905034An, H.; Jiang, L.; Li, F.; Wu, P.; Zhu, X.; Wei, S.; Zhou, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905034. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905034

    26. [26]

      Zhao, Z.; Chen, F.; Han, J.; Kong, D.; Pan, S.; Xiao, J.; Wu, S.; Yang, Q. H. Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300367. doi: 10.1002/aenm.202300367

    27. [27]

      Chen, H.; Ling, M.; Hencz, L.; Ling, H. Y.; Li, G.; Lin, Z.; Liu, G.; Zhang, S. Chem. Rev. 2018, 118, 8936. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00241

    28. [28]

      Liu, G.; Zheng, H.; Song, X.; Battaglia, V. S. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A214. doi: 10.1149/2.024203jes

    29. [29]

      Hernandez, C. R.; Etiemble, A.; Douillard, T.; Mazouzi, D.; Karkar, Z.; Maire, E.; Guyomard, D.; Lestriez, B.; Roué, L. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701787. doi: 10.1002/aenm.201701787

    30. [30]

      朱思颖, 李辉阳, 胡忠利, 张桥保, 赵金保, 张力. 物理化学学报, 2022, 38, 2103052. doi: 10.3866/PKU.WHXB202103052Zhu, S.; Li, H.; Hu, Z.; Zhang, Q.; Zhao, J.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2103052. doi: 10.3866/PKU.WHXB202103052

    31. [31]

      Wu, S.; Yang, Y.; Liu, C.; Liu, T.; Zhang, Y.; Zhang, B.; Luo, D.; Pan, F.; Lin, Z. ACS Energy Lett. 2020, 6, 290. doi: 10.1021/acsenergylett.0c02342

    32. [32]

      Lee, H. A.; Shin, M.; Kim, J.; Choi, J. W.; Lee, H. Adv. Mater. 2021, 33, 2007460. doi: 10.1002/adma.202007460

    33. [33]

      Han, D. Y.; Han, I. K.; Son, H. B.; Kim, Y. S.; Ryu, J.; Park, S. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2213458. doi: 10.1002/adfm.202213458

    34. [34]

      Xu, Z.; Yang, J.; Zhang, T.; Nuli, Y.; Wang, J.; Hirano, S. -I. Joule 2018, 2, 950. doi: 10.1016/j.joule.2018.02.012

    35. [35]

      Li, Z.; Wu, G.; Yang, Y.; Wan, Z.; Zeng, X.; Yan, L.; Wu, S.; Ling, M.; Liang, C.; Hui, K. N.; et al. Adv. Energy Mater. 2022, 12, 2201197. doi: 10.1002/aenm.202201197

    36. [36]

      Li, B.; Cao, P. F.; Saito, T.; Sokolov, A. P. Chem. Rev. 2023, 123, 701. doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00575

    37. [37]

      Wang, C.; Wu, H.; Chen, Z.; McDowell, M. T.; Cui, Y.; Bao, Z. Nat. Chem. 2013, 5, 1042. doi: 10.1038/nchem.1802

    38. [38]

      Li, C. H.; Zuo, J. L. Adv. Mater. 2020, 32, 1903762. doi: 10.1002/adma.201903762

    39. [39]

      Kim, J.; Park, K.; Cho, Y.; Shin, H.; Kim, S.; Char, K.; Choi, J. W. Adv. Sci. 2021, 8, 2004290. doi: 10.1002/advs.202004290

    40. [40]

      Zhang, L.; Zhang, L.; Chai, L.; Xue, P.; Hao, W.; Zheng, H. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 19036. doi: 10.1039/c4ta04320k

    41. [41]

      Ying, H.; Zhang, Y.; Cheng, J. Nat. Commun. 2014, 5, 3218. doi: 10.1038/ncomms4218

    42. [42]

      Chen, Z.; Wang, C.; Lopez, J.; Lu, Z.; Cui, Y.; Bao, Z. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401826. doi: 10.1002/aenm.201401826

    43. [43]

      Jiao, X.; Yin, J.; Xu, X.; Wang, J.; Liu, Y.; Xiong, S.; Zhang, Q.; Song, J. Adv. Funct. Mater. 2020, 31, 2005699. doi: 10.1002/adfm.202005699

    44. [44]

      Kim, S. -M.; Kim, M. H.; Choi, S. Y.; Lee, J. G.; Jang, J.; Lee, J. B.; Ryu, J. H.; Hwang, S. S.; Park, J. -H.; Shin, K.; et al. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1538. doi: 10.1039/c5ee00472a

    45. [45]

      Zhao, H.; Wei, Y.; Qiao, R.; Zhu, C.; Zheng, Z.; Ling, M.; Jia, Z.; Bai, Y.; Fu, Y.; Lei, J.; et al. Nano Lett. 2015, 15, 7927. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b03003

    46. [46]

      Liu, X.; Xu, Z.; Iqbal, A.; Chen, M.; Ali, N.; Low, C.; Qi, R.; Zai, J.; Qian, X. Nano-Micro Lett. 2021, 13, 54. doi: 10.1007/s40820-020-00564-5

    47. [47]

      Chiang, C. K.; Fincher, C. R.; Park, Y. W.; Heeger, A. J.; Shirakawa, H.; Louis, E. J.; Gau, S. C.; MacDiarmid, A. G. Phys. Rev. Lett. 1977, 39, 1098. doi: 10.1103/PhysRevLett.39.1098

    48. [48]

      Chen, S.; Song, Z.; Wang, L.; Chen, H.; Zhang, S.; Pan, F.; Yang, L. Accounts Chem. Res. 2022, 55, 2088. doi: 10.1021/acs.accounts.2c00259

    49. [49]

      Liu, G.; Xun, S.; Vukmirovic, N.; Song, X.; Olalde-Velasco, P.; Zheng, H.; Battaglia, V. S.; Wang, L.; Yang, W. Adv. Mater. 2011, 23, 4679. doi: 10.1002/adma.201102421

    50. [50]

      Zhao, H.; Wang, Z.; Lu, P.; Jiang, M.; Shi, F.; Song, X.; Zheng, Z.; Zhou, X.; Fu, Y.; Abdelbast, G.; et al. Nano Lett. 2014, 14, 6704. doi: 10.1021/nl503490h

    51. [51]

      Wu, M.; Xiao, X.; Vukmirovic, N.; Xun, S.; Das, P. K.; Song, X.; Olalde-Velasco, P.; Wang, D.; Weber, A. Z.; Wang, L. W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12048. doi: 10.1021/ja4054465

    52. [52]

      Zhu, T.; Liu, G. J. Electrochem. Soc. 2021, 168, 050533. doi: 10.1149/1945-7111/abff01

    53. [53]

      Liu, D.; Zhao, Y.; Tan, R.; Tian, L. -L.; Liu, Y.; Chen, H.; Pan, F. Nano Energy 2017, 36, 206. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.04.043

    54. [54]

      Higgins, T. M.; Park, S. H.; King, P. J.; Zhang, C. J.; McEvoy, N.; Berner, N. C.; Daly, D.; Shmeliov, A.; Khan, U.; Duesberg, G.; et al. ACS Nano 2016, 10, 3702. doi: 10.1021/acsnano.6b00218

    55. [55]

      Tsai, C. -Y.; Liu, Y. -L. Electrochim. Acta 2021, 379, 138180. doi: 10.1016/j.electacta.2021.138180

    56. [56]

      Munaoka, T.; Yan, X.; Lopez, J.; To, J. W. F.; Park, J.; Tok, J. B. H.; Cui, Y.; Bao, Z. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703138. doi: 10.1002/aenm.201703138

    57. [57]

      Hu, Y.; Shao, D.; Chen, Y.; Peng, J.; Dai, S.; Huang, M.; Guo, Z. -H.; Luo, X.; Yue, K. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 10886. doi: 10.1021/acsaem.1c01849

    58. [58]

      Cai, Y.; Liu, C.; Yu, Z.; Ma, W.; Jin, Q.; Du, R.; Qian, B.; Jin, X.; Wu, H.; Zhang, Q.; et al. Adv. Sci. 2023, 10, 2205590. doi: 10.1002/advs.202205590

    59. [59]

      Liu, H.; Wu, Q.; Guan, X.; Liu, M.; Wang, F.; Li, R.; Xu, J. ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 4934. doi: 10.1021/acsaem.2c00329

    60. [60]

      Garsuch, R. R.; Le, D. -B.; Garsuch, A.; Li, J.; Wang, S.; Farooq, A.; Dahn, J. R. J. Electrochem. Soc. 2008, 155, A721. doi: 10.1149/1.2956964

    61. [61]

      Li, Z.; Zhang, Y.; Liu, T.; Gao, X.; Li, S.; Ling, M.; Liang, C.; Zheng, J.; Lin, Z. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903110. doi: 10.1002/aenm.201903110

    62. [62]

      Liu, J.; Zhang, Q.; Zhang, T.; Li, J. -T.; Huang, L.; Sun, S. -G. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3599. doi: 10.1002/adfm.201500589

    63. [63]

      Zeng, W.; Wang, L.; Peng, X.; Liu, T.; Jiang, Y.; Qin, F.; Hu, L.; Chu, P. K.; Huo, K.; Zhou, Y. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702314. doi: 10.1002/aenm.201702314

    64. [64]

      Oh, D. Y.; Nam, Y. J.; Park, K. H.; Jung, S. H.; Kim, K. T.; Ha, A. R.; Jung, Y. S. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1802927. doi: 10.1002/aenm.201802927

    65. [65]

      Zhu, J.; Zhang, Z.; Zhao, S.; Westover, A. S.; Belharouak, I.; Cao, P. F. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003836. doi: 10.1002/aenm.202003836

    66. [66]

      Nguyen, C. C.; Yoon, T.; Seo, D. M.; Guduru, P.; Lucht, B. L. ACS Appl. Mater. Inter. 2016, 8, 12211. doi: 10.1021/acsami.6b03357

    67. [67]

      Parikh, P.; Sina, M.; Banerjee, A.; Wang, X.; D'Souza, M. S.; Doux, J. -M.; Wu, E. A.; Trieu, O. Y.; Gong, Y.; Zhou, Q.; et al. Chem. Mater. 2019, 31, 2535. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b05020

    68. [68]

      Browning, K. L.; Browning, J. F.; Doucet, M.; Yamada, N. L.; Liu, G.; Veith, G. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 17356. doi: 10.1039/c9cp02610j

    69. [69]

      Browning, K. L.; Sacci, R. L.; Doucet, M.; Browning, J. F.; Kim, J. R.; Veith, G. M. ACS Appl. Mater. Inter. 2020, 12, 10018. doi: 10.1021/acsami.9b22382

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  739
  • HTML全文浏览量:  85
文章相关
  • 发布日期:  2024-06-15
  • 收稿日期:  2023-06-02
  • 接受日期:  2023-07-20
  • 修回日期:  2023-07-05
  • 网络出版日期:  2023-08-09
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章