大容量長壽命鋰離子電池電極材料研究獲進展

　　鋰離子電池因其優異的綜合性能受到各國研究工作者和企業的廣泛重視。在鋰離子電池的發展進程中，電極材料己經成為制約鋰離子電池大規模推廣應用的瓶頸，隨著各種(手機、數碼相機、手提電腦等)中小型便攜式電子產品以及電動自行車的推廣普及，新一代電動汽車及混合動力汽車的商品化開發，對鋰離子電池的能量密度及性能提出更高的要求，特別是傳統的鈷酸鋰正極材料與碳系負極材料在比容量、比能量等方面已經不能滿足下一代新型鋰離子電池負極材料的需要，因此，開發新型高比容量、高穩定性、高安全性、長壽命、低成本的鋰離子電池電極顯得尤為迫切。

　　鋰離子電池電極一般由導電劑、粘結劑、活性材料組成，自上世紀90年代索尼公司的第一代鋰離子電池問世以來，粘結劑基本采用基于氫鍵與范德華力作用的聚偏氟乙烯。隨著大容量電極材料(如錫、硅等)的采用，這種分子間微弱的作用力已經不足以在充放電過程中維持整個電極系統的穩定。由于大容量電極材料在充電過程中面臨著極為嚴重的體積膨脹(> 200%)，在體積膨脹的過程中，聚偏氟乙烯的強度不足以維持整個電極體系的穩定，最終，整個電極系統將會面臨粘結網絡坍塌，進而造成容量銳減、使用壽命降低等問題。所以，近年來，提升大容量鋰離子電池活性材料的使用壽命一直是科研界與產業界的研究熱點。

　　中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室/納米仿生研究部靳健研究員課題組區別于傳統的通過控制活性材料形貌的方法，從界面化學角度出發，著眼于整個電極系統，對整個電極系統進行了一系列設計以滿足大容量、長壽命的需求。首先，在活性材料表面包裹一層納米級厚度(~10 nm)的柔性聚多巴胺作為緩沖層來釋放鋰離子嵌入所造成的形變壓力;其次，采用負壓(< 100 pa)固相反應在緩沖層與粘結劑之間形成共價鍵來進一步提高整個電極系統的機械強度。本研究首次在電極系統中引入共價鍵，電極的機械強度比傳統基于氫鍵與范德華力作用力的電極提成了近70%左右。

　　首先，研究團隊對緩沖層的最適合量進行了深入研究和探索。以錫基負極為例，制備出蛋白質包裹的二氧化錫納米粒子，隨后，在納米粒子表面進行聚多巴胺的原位包裹，在與炭黑導電劑，聚丙烯酸粘結劑混合后，進行負壓原位交聯反應，使聚丙烯酸粘結劑與聚多巴胺緩沖層形成酰胺鍵，提升電極的機械強度。并對循環后的電極進行表征，探明了最適緩沖層的用量，以及共價鍵在電極充放電過程中所起到的關鍵作用(圖 1)。相關工作先后發表在RSC Advance 2013, 3, 1307. ，以及Small, 2013, DOI:10.1002/smll.201300843.