硅负极由于其超高的理论容量、较低的电化学反应电位和丰富的自然资源而被广泛认为是下一代高能量密度锂离子电池极具应用前景的负极材料之一。然而，硅颗粒在反复地嵌锂/脱锂过程中会发生巨大的体积变化，导致活性硅颗粒出现开裂甚至粉化，造成电解液的不断消耗和SEI膜的反复生长，使得电极表现出较差的循环寿命。研究表明，通过对硅材料进行纳米化、合金化、多孔化处理以及与碳基材料的复合等策略可以有效地解决上述问题，但是复杂的工艺和过高的成本，依然限制了其实际应用。
成果简介
日前，厦门大学王鸣生教授团队直接从粘结剂改进的策略出发，通过使用植酸(PA)作为交联剂，结合传统的CMC粘结剂，构建了强健的CMC/PA交联粘结剂网络用于纯硅电极，如图1a, b所示。在该设计中，CMC是一种常规的水溶性粘结剂，含有大量的羧基位点和羟基官能团。PA通常来源于植物种子，由于含有丰富的羟基官能团，可与CMC粘结剂的羧基位点和羟基官能团形成酯键和氢键，又能够和Si颗粒表面羟基形成氢键。而且，不同于线性CMC粘结剂，这种枝接的CMC/PA粘结剂由于和硅颗粒有更多的接触位点，可以形成更强的氢键。原位电镜及非原位谱学等表征手段充分揭示了：与单纯的CMC粘结剂相比，CMC/PA交联粘结剂网络具有更强的粘附性能和更高的力学强度。因此，使用这种改性的CMC/PA粘结剂的硅电极，在反复电化学循环过程中可以有效地适应活性硅的体积变化，保持了电极整体的完整性和SEI膜的稳定性，最终表现出较优异的电化学性能。
图文导读
图1. (a) CMC与PA缩合形成交联CMC/PA粘结剂的示意图。(b) Si颗粒与CMC/PA粘结剂之间的化学键合。(c) Si-CMC和Si-CMC/PA电极在循环过程中的形貌演变示意图。
图2. (a, b) Si-CMC/PA复合物的TEM图和(c) HRTEM图，以及对应的元素mapping图(d-h)。Si-CMC/PA和Si-CMC电极的高分辨XPS谱图：(i) Si 2p和(j) C 1s；(k) Si-CMC/PA的P 2p的高分辨XPS谱图。(l)纯Si、Si-CMC、Si-CMC/PA复合物的FT-IR谱图。
图3. Si-CMC和Si-CMC/PA的流变性能(a)和剥离试验结果(b)。 CMC和CMC/PA粘结剂薄膜的应变-应力曲线(c)，杨氏模量(d)和断裂应力(e)。
图4. 电化学性能：Si-CMC/PA电极的CV曲线(a)和充放电曲线(b)。Si-CMC/PA和Si-CMC在0.5 A g?1下的循环性能(c)，倍率性能（d）以及在4 A g?1下的长周期循环性能（e），全电池在1 C下的循环性能(f)和倍率性能(g)。
图5. Si-CMC/PA电极初始态TEM图(a)和首次锂化不同时刻TEM图(b-d)。首次锂化过程中所标记区的硅纳米颗粒团聚体的长短轴长度变化直方图(e)。Si-CMC/PA电极的选区电子衍射图：(f)初始态，(g)首次锂化后和(h)首次脱锂后。另一个Si-CMC/PA电极三个原位电化学循环的TEM图(i-p)。
图6. Si-CMC/PA电极在4 A g?1下循环200次后的形貌:(a,b) TEM图，(c,d) HRTEM图，(e) SAED图，(f-l) HAADF图以及对应的元素mapping图。
图7. SEI化学成分：Si-CMC/PA电极不同循环次数后的高分辨率XPS谱图(a) C 1s和(b) F 1s，Si-CMC电极不同循环次数后的高分辨率XPS谱图(c) C 1s和(d) F 1s。
该成果近日以题“Constructing Robust Cross-Linked Binder Networks for Silicon Anodes with Improved Lithium Storage Performance”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上（DOI: 10.1021/acsami.1c14907）。厦门大学材料学院博士生郑志明为该论文的第一作者，王鸣生教授为本文通讯作者（详见课题网站http://mswang.xmu.edu.cn）。
原文链接
https://doi.org/10.1021/acsami.1c14907
