大容量长寿命锂离子电池电极材料研究获进展

　　锂离子电池因其优异的综合性能受到各国研究工作者和企业的广泛重视。在锂离子电池的发展进程中，电极材料己经成为制约锂离子电池大规模推广应用的瓶颈，随着各种(手机、数码相机、手提电脑等)中小型便携式电子产品以及电动自行车的推广普及，新一代电动汽车及混合动力汽车的商品化开发，对锂离子电池的能量密度及性能提出更高的要求，特别是传统的钴酸锂正极材料与碳系负极材料在比容量、比能量等方面已经不能满足下一代新型锂离子电池负极材料的需要，因此，开发新型高比容量、高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的锂离子电池电极显得尤为迫切。

　　锂离子电池电极一般由导电剂、粘结剂、活性材料组成，自上世纪90年代索尼公司的第一代锂离子电池问世以来，粘结剂基本采用基于氢键与范德华力作用的聚偏氟乙烯。随着大容量电极材料(如锡、硅等)的采用，这种分子间微弱的作用力已经不足以在充放电过程中维持整个电极系统的稳定。由于大容量电极材料在充电过程中面临着极为严重的体积膨胀(> 200%)，在体积膨胀的过程中，聚偏氟乙烯的强度不足以维持整个电极体系的稳定，最终，整个电极系统将会面临粘结网络坍塌，进而造成容量锐减、使用寿命降低等问题。所以，近年来，提升大容量锂离子电池活性材料的使用寿命一直是科研界与产业界的研究热点。

　　中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所国际实验室/纳米仿生研究部靳健研究员课题组区别于传统的通过控制活性材料形貌的方法，从界面化学角度出发，着眼于整个电极系统，对整个电极系统进行了一系列设计以满足大容量、长寿命的需求。首先，在活性材料表面包裹一层纳米级厚度(~10 nm)的柔性聚多巴胺作为缓冲层来释放锂离子嵌入所造成的形变压力;其次，采用负压(< 100 pa)固相反应在缓冲层与粘结剂之间形成共价键来进一步提高整个电极系统的机械强度。本研究首次在电极系统中引入共价键，电极的机械强度比传统基于氢键与范德华力作用力的电极提成了近70%左右。

　　首先，研究团队对缓冲层的最适合量进行了深入研究和探索。以锡基负极为例，制备出蛋白质包裹的二氧化锡纳米粒子，随后，在纳米粒子表面进行聚多巴胺的原位包裹，在与炭黑导电剂，聚丙烯酸粘结剂混合后，进行负压原位交联反应，使聚丙烯酸粘结剂与聚多巴胺缓冲层形成酰胺键，提升电极的机械强度。并对循环后的电极进行表征，探明了最适缓冲层的用量，以及共价键在电极充放电过程中所起到的关键作用(图 1)。相关工作先后发表在RSC Advance 2013, 3, 1307. ，以及Small, 2013, DOI:10.1002/smll.201300843.