鋰電網(wǎng)訊：鋰離子電池能量密度的不斷提高，傳統(tǒng)的石墨類材料已經(jīng)無(wú)法滿足高比能鋰電池的需求，Si材料的理論容量可達(dá)到4200mAh/g，能夠有效提升鋰電池的比能量，但是Si材料在完全嵌鋰時(shí)會(huì)產(chǎn)生高達(dá)300%的體積膨脹，造成Si材料在循環(huán)過(guò)程中可逆容量急劇衰降，這嚴(yán)重阻礙了Si材料的應(yīng)用。如何增強(qiáng)活性物質(zhì)與銅箔之間的粘接性，減少活性物質(zhì)的損失對(duì)于提升Si負(fù)極材料的循環(huán)性能就變的尤為重要。
傳統(tǒng)的提升粘接性的方法主要是更換粘接性更好的粘結(jié)劑，但是也有人另辟蹊徑，例如韓國(guó)的韓巴大學(xué)的Inseong Cho等人就通過(guò)在Cu箔的表面增加一層聚多巴胺涂層的方法增加了活性物質(zhì)與集流體之間的粘接性，減少了循環(huán)過(guò)程中電極與集流體分層的現(xiàn)象，從而大幅提升了Si負(fù)極材料的循環(huán)和倍率性能。
上圖a中左側(cè)的為沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的裸銅箔，右側(cè)為經(jīng)過(guò)聚多巴胺處理的Cu箔，從顏色上能夠看到經(jīng)過(guò)聚多巴胺處理后銅箔的顏色已經(jīng)明顯變深，從XPS測(cè)試結(jié)果上也能夠看到普通的Cu箔僅僅是出現(xiàn)了一個(gè)O1s峰，對(duì)應(yīng)的為Cu表面的氧化物，而處理后的Cu箔表面則觀察到了N 1s峰，表明Cu箔表面形成了聚多巴胺涂層（含有大量的氨基），而這些聚多巴胺中的氨基又能夠與PAA粘結(jié)劑中的羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，從而極大的提升負(fù)極活性物質(zhì)層與Cu箔集流體之間的粘接性。
試驗(yàn)中Inseong Cho除了制備聚多巴胺涂層處理的Cu箔外，還對(duì)部分處理后的Cu箔在80℃的真空環(huán)境中進(jìn)行了熱處理，從而使得聚多巴胺與電極中的PAA粘結(jié)劑之間發(fā)生縮合反應(yīng)，從而進(jìn)一步的增強(qiáng)電極與集流體之間的粘接性，測(cè)試表明普通銅箔的剝離強(qiáng)度為245.5N/m，而聚多巴胺涂層處理后的Cu箔的剝離強(qiáng)度提高到了297.5N/m，經(jīng)過(guò)熱處理后的聚多巴胺涂層處理Cu箔的剝離強(qiáng)度更是達(dá)到了353.2N/m。更好的粘接性也讓Si材料在循環(huán)性能上表現(xiàn)更加出色，從下面圖中我們能夠看到粘接性最好的熱處理聚多巴胺涂層Cu箔在經(jīng)過(guò)500次循環(huán)（0.5C）后，可逆容量仍然高達(dá)1590mAh/g，容量保持率高達(dá)69%，聚多巴胺涂層處理Cu箔的剩余可逆容量為1361.1mAh/g，容量保持率為61%，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的普通Cu箔的剩余可逆容量?jī)H有963.9mAh/g，容量保持率僅為44%。
粘接性對(duì)于Si負(fù)極電化學(xué)性能的影響不僅僅表現(xiàn)在循環(huán)性能，從下圖我們能夠看到粘接性更好的電極在倍率性能上同樣表現(xiàn)出色，在9A/g的大電流密度下，粘接性最強(qiáng)的熱處理聚多巴胺涂層銅箔仍然可以發(fā)揮出1083.3mh/g，粘接性稍弱的聚多巴胺涂層銅箔的可逆容量為800mAh/g，而粘接性最弱的普通銅箔的容量發(fā)揮也最低，僅為6.7mAh/g，關(guān)于粘結(jié)性增強(qiáng)提升硅碳負(fù)極倍率性能的作用機(jī)理我們已經(jīng)在上一篇文章中作了詳細(xì)的介紹，這里就不做贅述了。
談到硅碳負(fù)極性能提升的作用機(jī)理就不得不說(shuō)Si材料在嵌鋰過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹對(duì)于Si/C負(fù)極電極結(jié)構(gòu)的破壞，下圖為三種銅箔的硅碳負(fù)極的橫截面SEM圖片，從圖中可以看到測(cè)試之前三種銅箔的電極具有相似的形貌，但是在經(jīng)過(guò)預(yù)循環(huán)之后我們能夠從下圖d中看到普通銅箔的硅碳負(fù)極中出現(xiàn)了大量的裂紋，而聚多巴胺涂層銅箔的硅碳電極（下圖e）和熱處理聚多巴胺涂層銅箔硅碳電極（下圖f）則沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋。在經(jīng)過(guò)倍率測(cè)試的50個(gè)循環(huán)后這一趨勢(shì)變的更加明顯，從下圖g可以看到普通銅箔硅碳負(fù)極經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，電極層已經(jīng)與銅箔集流體之間出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，而粘接性更強(qiáng)的聚多巴胺涂層銅箔則僅僅是出現(xiàn)了輕微的分層現(xiàn)象，而粘接性最強(qiáng)的熱處理聚多巴胺涂層銅箔硅碳負(fù)極在50多次循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這表明更強(qiáng)的粘接性能夠有效的減少循環(huán)過(guò)程中由于Si材料體積膨脹造成的電極/集流體之間分層、脫落現(xiàn)象，減少活性物質(zhì)的損失，從而大幅提升硅碳電池的循環(huán)性能。
硅碳負(fù)極的應(yīng)用無(wú)論如何也繞不開(kāi)體積膨脹大這個(gè)梗，粘接性更好的粘結(jié)劑和能夠形成更加穩(wěn)定SEI膜的電解液都是我們常用的抑制Si材料體積膨脹對(duì)于電極結(jié)構(gòu)破壞的手法，而Inseong Cho等人的工作讓我們看到我們還可以通過(guò)在銅箔表面進(jìn)行涂層處理的方式增強(qiáng)活性物質(zhì)與銅箔之間的粘接性，減少循環(huán)過(guò)程中電極層與集流體之間分層現(xiàn)象，減少活性物質(zhì)的損失，極大Si負(fù)極的循環(huán)性能，這一思路對(duì)于長(zhǎng)壽命硅碳電池的設(shè)計(jì)工作具有重要的參考價(jià)值。
