SSB蓄电池用于锂离子电池硅阳极的硼酸盐增强CMC粘结剂

2026-04-14 20:25:46

硅因其高达4200 mAh g-1的理论比容量，被公认为锂离子电池最具前景的负极材料⁻¹然而，硅在循环过程中的显著体积膨胀限制了其在锂离子电池中的实际应用。粘合剂对于缓解硅的体积膨胀应力至关重要。本研究讨论了一种新型粘合剂CMC-SB，它通过硼酸酯键将四硼酸钠（SB）与羧甲基纤维素钠（CMC）连接而成，从而增强了粘合剂的柔韧性。经过折叠并承受200克负载后，CMC-SB薄膜保持完整无破裂，显示出优于CMC的卓越柔韧性。当用作硅负极的粘合剂时，CMC-SB显著提高了电池在长期循环中的稳定性。

引言

锂离子电池(LIBs)已广泛应用于便携式电子设备、信息技术(IT)和电动汽车(EV)领域[1]。然而电动汽车产业的快速发展凸显了商用石墨(C)的局限性，其理论容量较低(372 mAh g⁻¹)。硅(Si)因其高达4200 mAh g的理论比容量而备受关注⁻¹然而，硅材料高达300%的体积膨胀（Expansion）带来了显著挑战[2]。这种膨胀会导致活性材料与集流体分离。此外，在硅表面固体电解质界面（SEI）层反复形成与破裂的过程中，阻抗和极化现象加剧。机械应力还会引发硅颗粒破裂，最终导致电化学活性完全丧失[3]。
为应对这些挑战，研究者提出了多种策略，包括纳米硅材料的合成、硅碳复合材料的制备、硅颗粒复合包覆技术以及新型粘结剂的开发[4]。其中，新型粘结剂的研发被认为是最有效缓解硅体积膨胀相关核心问题的解决方案。
聚偏氟乙烯（PVDF）是锂离子电池中最常用的粘结剂。然而，其制备过程需溶解于有毒有机溶剂[5]。因此，开发环境友好型水溶性粘结剂具有重要意义。羧甲基纤维素钠（CMC）凭借其强粘结性、优异分散性和低成本优势，已成为首选的水溶性高分子粘结剂。但由于CMC一维线性聚合物链结构导致的柔韧性不足，其无法为硅材料体积膨胀提供足够的机械强度。因此，设计新型柔性CMC基粘结剂成为缓解硅材料体积膨胀问题的有效策略。
SB是一种具有优异水溶性、环境相容性和抗电解质性能的无机交联剂。硼酸根离子可通过SB水解产生，随后与CMC的羟基形成硼酸酯键[6]。本研究采用SB作为交联剂对CMC进行改性，形成网络结构粘合剂，记为CMC-SB。未完全参与交联的硼酸酯键配位点会与硅表面的硅羟基发生相互作用。这种相互作用增加了粘合剂与活性颗粒之间的接触位点，从而维持硅阳极的长期稳定性。