高性能聚酰亚胺粘结剂在锂离子电池硅负极中的研究.pdf

锂离子电池由于工作电压高、能量密度大、寿命长等优点吸引了广泛的关注。
随着新能源汽车的发展,高容量和高性能负极材料已经成为锂离子电池的研究热
点之一。硅材料由于具有高的理论比容量、自然丰度大和放电平台低等优点,而
受到大家的关注。但是,在嵌锂和脱锂过程当中,硅电极发生巨大的体积膨胀而
造成容量的衰减,限制了高容量硅负极材料的应用。粘结剂是锂离子电池的重要
组成部分,商业化的电池一般使用 PVDF 为粘结剂。但是将 PVDF 粘结剂作为
硅负极的粘结剂应用到锂离子电池中,在一定程度上不能抑制硅体积膨胀。本文
选择具有高的机械性能和良好的热稳定性的聚酰亚胺(PI)为硅负极粘结剂,研
究的内容主要包括以下几个部分:
(1)比较了 PI、PVDF 和 PAA-CMC 三种粘结剂的机械性能和热稳定性能,
从而得出 PI 有着优异的机械性能和热稳定性能,能够作为硅负极的粘结剂。研
究了粘结剂含量对电池电化学性能的影响,结果表明,当硅的含量为 50%,粘结
剂的含量为 25%,导电剂的含量为 25%时,硅电极有着较高的首次比容量,为
963 mAh g−1。并且对该电极进行不同温度的退火处理,可以得出经过退火处理
能够重塑硅电极的表面形貌而提高硅电极的电化学稳定性。经 300℃退火处理的
硅电极的首次可逆容量为 1195.6 mAh g−1,50 次循环之后的可逆容量为 843.3
mAh g−1,容量保留率为 70.5%。
(2)以 PI 为粘结剂和以 PAN 为碳源的前驱体,制备了核/壳结构的纳米硅
复合材料。研究了不同碳化温度对得到的核/壳结构的纳米硅复合材料的电化学
性能的影响。随着碳化温度的升高,核/壳结构的纳米硅复合材料电化学性能均
增加。这是因为在纳米硅的表面形成致密的碳壳,提高了纳米硅的导电性,有利
于锂离子的嵌入和保护了硅核结构。研究结果表明,经 500℃处理的硅电极的电
化学性能最优,其首次可逆容量为 2813.3 mAh g−1,50 循环之后,该电极的可逆
容量为 1663.5 mAh g−1,容量保留率为 59.1%。
(3)使用混合粘结剂 PI 和醋酸纤维素(CA)为硅负极粘结剂。利用 PI 的
机械性能和稳定性以及 CA 分子结构中的酯基官能团的优势,做成的混合粘结
剂,对硅电极有一定的稳定作用。研究结果表明,经 350℃热处理的硅电极,其
首次库伦效率为 85.2%和首次可逆容量为 2132.8 mAh g−1,50 次循环之后,可逆
容量为 1459.6 mAh g−1,容量保留率为 68.4%。
II
(4)使用混合粘结剂 PI 和聚苯(PBP)为硅负极粘结剂。利用 PI 的机械性
能和稳定性以及 PBP 分子结构中含有大共轭体系,做成一种新型的聚合物粘结
剂。该混合粘结剂做成的硅电极经 400℃热处理之后,首次可逆容量为 1890.3
mAh g−1,50 次循环之后,可逆容量为 1270.3 mAh g−1,并且具有较好的倍率性
能,在高的 600 mA g−1电流密度下,可逆容量还可以维持到 1648.1 mAh g−1。
关键词:锂离子电池;硅负极;聚酰亚胺;热处理;复合材料

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