提高鋰離子和鋰金屬電池能量密度的關(guān)鍵在于開發(fā)高容量電極材料。其中，天然豐富的硅(Si)、氧化硅和硫(S)因其超高的理論容量而成為出色的負(fù)極和正極材料。然而，這些高比能量電極在實(shí)際應(yīng)用過程中都存在穩(wěn)定性問題，首先，充電和放電狀態(tài)下活性材料的體積變化會(huì)破壞電極結(jié)構(gòu)并帶來連續(xù)的固體電解質(zhì)界面（SEI）生長(zhǎng)；其次，活性材料的離子和電子傳導(dǎo)性較差，阻礙了鋰在電極內(nèi)的擴(kuò)散，導(dǎo)致倍率性能較差。對(duì)于鋰硫（Li-S）電池，多硫化鋰（LiPSs）穿梭效應(yīng)帶來了嚴(yán)重的活性材料損失，并在正極本體中產(chǎn)生了許多空隙，這進(jìn)一步加劇了容量衰減和結(jié)構(gòu)破壞。
浙江大學(xué)張慶華/詹曉力教授課題組長(zhǎng)期從事多尺度界面材料與特種樹脂材料的研究，最近在界面功能材料與儲(chǔ)能工程領(lǐng)域取得了系列研究成果（J Am Chem Soc 2021.03.24.jacs.1c02090；Chem Eng J 2021, DOI: 10.1016/j.cej.2021.131141）。課題組基于在仿生智能材料領(lǐng)域的相關(guān)工作基礎(chǔ)，開發(fā)了一種自修復(fù)型聚電解質(zhì)粘合劑，通過可重構(gòu)的氫鍵和離子鍵在室溫下原位交聯(lián)聚多巴胺、植酸和聚（丙烯酰胺-co-2-（二甲基氨基）乙基丙烯酸酯），獲得的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以在沒有額外刺激的情況下恢復(fù)其機(jī)械強(qiáng)度，為受到大體積變化問題困擾的電極提供了可靠的策略。在這項(xiàng)工作中，通過自由基聚合制備了富含極性基團(tuán)的聚（丙烯酰胺-co-2-（二甲基氨基）乙基丙烯酸酯）（AM-co-DMAEA）共聚物，在此基礎(chǔ)上，作者先后引入微量多巴胺和植酸，在室溫下原位生成緊密的交聯(lián)聚電解質(zhì)粘合劑網(wǎng)絡(luò)。所制備的雙交聯(lián)聚電解質(zhì)粘合劑顯示出自發(fā)的自愈特性、出色的多硫化鋰吸附性和良好的離子電導(dǎo)率（圖1）。通過調(diào)整共聚物的組成，可以很好地調(diào)節(jié)粘合劑的機(jī)械性能和電解質(zhì)吸收，從而在 S、Si和Si-石墨電極中產(chǎn)生比商業(yè)粘合劑更好的應(yīng)用結(jié)果。圖1. 自修復(fù)聚電解質(zhì)粘結(jié)劑的合成過程及其自修復(fù)、LiPSs吸附和Li傳輸增強(qiáng)特性。作者在聚(AM-co-DMAEA)中依次加入多巴胺和植酸制備聚電解質(zhì)粘合劑(AXDY-PA)，包括S-C復(fù)合材料和Si NPs在內(nèi)的活性材料即使用膠帶剝離、反復(fù)折疊和展開、長(zhǎng)期電解液浸泡或超聲處理，都可以牢固地粘附在鋁或銅箔上。使用自修復(fù)聚電解質(zhì)粘合劑制備的硫（S）和硅（Si）電極在長(zhǎng)期循環(huán)后可以有效地保持其結(jié)構(gòu)完整性。此外，在抑制多硫化鋰穿梭和加速鋰離子傳輸方面，極性基團(tuán)，尤其是帶負(fù)電荷的磷酸根離子使聚電解質(zhì)粘合劑成為比商業(yè)聚偏二氟乙烯更有效的粘合劑。圖3. 不同 AXDY-PA 粘合劑基硫正極的電化學(xué)性能由于具有自修復(fù)性質(zhì)的粘結(jié)劑能夠穩(wěn)定維持電極結(jié)構(gòu)，可用于制備體積變化較大的 Si 負(fù)極實(shí)現(xiàn)電池高倍率下的循環(huán)穩(wěn)定性。圖4. 不同 AXDY-PA 粘合劑基硅負(fù)極的電化學(xué)性能綜上，該種聚電解質(zhì)粘合劑可以同時(shí)使高活性材料負(fù)載S正極、Si和SiO-石墨負(fù)極，具有高面積容量和滿足循環(huán)穩(wěn)定性，該研究為構(gòu)建多用途聚電解質(zhì)粘合劑提供了一種簡(jiǎn)單、低成本和環(huán)保的策略。以上研究成果以A Self-Healable Polyelectrolyte Binder for Highly Stabilized Sulfur, Silicon, and Silicon Oxides Electrodes為題發(fā)表在期刊Adv. Funct. Mater.上，該工作的第一作者為浙江大學(xué)化工學(xué)院博士生金碧玉（現(xiàn)工作于安徽工業(yè)大學(xué)），浙江大學(xué)化工學(xué)院、浙江大學(xué)衢州研究院張慶華教授，安徽工業(yè)大學(xué)何孝軍教授為共同通訊作者。https://doi.org/10.1002/adfm.202104433
