李先锋/张洪章AFM：通过粘结剂原位构建富氮SEI获得高稳定硅负极

硅（Si）由于其高比容量（4200 mAh g^-1）和低电位（0.3 V vs Li⁺/Li），被认为是一种有前景的高能量密度锂离子电池负极材料。然而，在锂化/脱锂过程中，Si的巨大体积变化（超过300%）会导致严重的粉碎、电极结构破坏，最终造成容量下降，这阻碍了其走向实际应用的步伐。

图1 PVAm粘结剂的表征

中科院大连化物所李先锋、张洪章等提出了一种含有氨基（-NH₂）和酰胺（-NH-CHO）多个官能团的新型聚（乙烯胺）（PVAm）粘结剂，以提高Si负极从颗粒到电极结构的稳定性。研究显示，-NH₂和-NH-CHO基团通过形成氢键与Si表面的SiO_x显示出强烈的相互作用，在Si负极上形成了均匀的PVAm涂层。均匀的PVAm粘结剂涂层可以提高所制备的硅负极的机械强度，并减少硅负极和电解液之间的副反应。

此外，PVAm粘结剂具有比电解液中的溶剂更低的未占用分子轨道（LUMO）能量。换句话说，由于-NH₂和-NH-CHO基团的分解，PVAm粘结剂可以优先与Li⁺反应并形成富含N的SEI。这样的SEI层具有更好的机械强度，可以同时承受锂化过程中硅颗粒内部和之间的应力，进一步避免了硅颗粒和SEI的粉碎。

图2 不同Si负极的应力分布分析

同时，富含N的SEI的优越离子传导性可以有效地提高Si负极（Si-PVAm）的倍率性能，在1 C的倍率下，其放电容量提高到2027 mAh g^-1。此外，Si-PVAm负极在0.1 C的200次循环后可以保持较高的容量≈2000 mAh g^-1，优于传统的基于聚偏二氟乙烯（PVDF）粘结剂的Si负极（Si-PVDF，66 mAh g^-1）和聚乙烯醇（PVA）粘结剂的Si-PVA，820 mAh g^-1）。这种简单实用的策略为硅负极在先进电池中的应用提供了一个新的视角。

图3 采用不同粘结剂的Si负极的性能和循环后的形貌

N-Rich Solid Electrolyte Interface Constructed In Situ Via a Binder Strategy for Highly Stable Silicon Anode. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202301716