崔光磊/张焕瑞NML: 受内膜鞘启发的仿生粘结剂实现硅负极的出色循环

由于其较高的理论容量，硅（Si）已被视为传统石墨的替代负极材料。然而，Si负极具有固有的体积膨胀和不稳定的固体电解质界面（SEI）而导致容量衰减快，这阻碍了其商业应用。

在此，中科院青岛能源所崔光磊研究员、张焕瑞副研究员等人提出了一种人体肌腱内膜鞘启发的水溶性双网络仿生粘结剂（DNB），用于解决硅负极的瓶颈问题。内膜鞘机械坚固，与胶原纤维、肌腱细胞和血管有很强的粘附性，这种粘合最吸引人的地方在于运动过程中实现的出色机械匹配（即适应体积变形和承受外部应力）和完美的粘合恢复。因此，所开发的DNB粘结剂显示出优异的粘附性、机械性能和自愈能力，主要得益于其可逆的超分子混合网络。

研究表明，DNB不仅可以通过良好的机械强度抑制Si电极在循环过程中的过度体积膨胀，而且可以消除Si颗粒体积变化产生的应力，实现电极膜的自我修复。此外，DNB还诱导了富含Li₃N/LiF的SEI层，有助于实现Si电极的优异循环稳定性。

图1. 仿生DNB粘结剂的设计策略

正如预期的那样，与传统的聚丙烯酸（PAA）和果胶粘结剂相比，DNB可以实现更稳定的Si电极。在0.2 C下150次循环后，基于DNB的Si电极容量保持率（56%）明显高于基于 PAA（41%）和果胶（36%）的Si电极。

令人印象深刻的是，具有DNB的Si负极（88.84%）表现出比PAA和果胶对应电极（分别为87.68和76.85%）高得多的初始库仑效率。更重要的是，基于DNB的NCM811 （11 mg cm^-2）/Si全电池也可以获得良好的循环性能，在0.1 C下50次循环后的容量保持率为86%，进一步证实了DNB粘结剂的实际应用可行性。因此，这种仿生粘结剂设计为实现长寿命的Si负极及进一步组装锂电池的实用性提供了一条有希望的途径。

图2. 基于DNB的Si负极电化学性能评估

An Endotenon Sheath-Inspired Double-Network Binder Enables Superior Cycling Performance of Silicon Electrodes, Nano-Micro Letters 2022. DOI: 10.1007/s40820-022-00833-5