四川大学新型粘结剂让电池寿命翻倍，或成硅负极电池关键突破

四川大学新型粘结剂让电池寿命翻倍，或成硅负极电池关键突破

四川大学化学学院喻媛媛博士与姜猛进教授在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了一项突破性研究，提出了一种新型三维交联n型双导电粘结剂——聚噁二唑（POD-c-GL）粘结剂。这一创新有望解决长期困扰硅负极电池的循环寿命问题，为高能量密度锂电池的发展开辟新路径。

硅负极因其高达4200 mAh/g的理论容量，被视为提升电池能量密度的关键材料。然而，硅负极在充放电过程中会发生显著的体积膨胀和收缩，这一现象导致硅颗粒破裂、电解液渗漏以及电极与电解液界面的不稳定，进而严重影响电池的循环寿命和充放电效率。因此，如何优化硅负极的结构和性能，已成为当前锂电池研究中的重要课题。

在硅负极的设计中，粘结剂扮演着至关重要的角色。它不仅需要有效地将活性材料固定在集流体上，还需要确保电极的结构稳定。然而，传统的非导电粘结剂往往无法提供足够的电子导电性，这限制了电池性能的提升。同时，传统的线性粘结剂在硅负极的充放电过程中难以应对硅颗粒的体积变化，导致电极结构不稳定，从而影响电池的循环寿命和长期稳定性。

四川大学研究团队开发的POD-c-GL粘结剂，通过独特的设计解决了上述问题。这种粘结剂具备离子和电子双导电性，能够在硅负极材料内部形成稳定的导电网络，从而显著提升电池的电导性。其独特的n型掺杂特性使得粘结剂在硅负极工作电位下保持稳定的掺杂态，确保电子和离子的连续传输。

更值得一提的是，POD-c-GL粘结剂通过与甘油原位反应，实现了化学与物理共同交联，形成了高弹性、高强度的三维交联结构。这种结构使得粘结剂能够有效承受硅颗粒在充放电过程中发生的体积膨胀，避免了电极结构的破坏，从而显著提升了电池的机械稳定性和循环寿命。

实验结果充分验证了POD-c-GL粘结剂的优异性能。采用POD-c-GL粘结剂的硅负极在2 A g-1下经过1000次充放电循环后，仍能保持约75%的容量保持率，展现了卓越的循环稳定性。相比之下，使用传统粘结剂的硅负极在相同条件下容量保持率仅为40%左右。此外，电池在高倍率下也展现了良好的充放电性能，充电速度和循环效率显著提高。

随着电动汽车、可再生能源存储技术的迅速发展，对锂电池性能的要求愈加严苛。POD-c-GL粘结剂不仅能提升硅负极材料的电化学性能，还为下一代高能量密度电池的开发提供了新的方向和解决方案。根据市场研究机构SNE Research的预测，硅基负极材料应用正从3C消费领域向动力电池领域拓展，预计2024年硅负极的市场渗透率将突破长期以来1%的禁锢，到2035年市场规模将达到660亿美元，整体市场渗透率也将达到10%左右。

目前，全球已有70多家企业涉足硅基负极材料研发，但真正能够实现量产及批量供货的企业还比较少。四川大学的这一突破性研究，有望加速硅基负极材料的商业化进程，推动高能量密度、长寿命锂电池的发展，为实现“双碳”目标提供有力支撑。