“成熟”的电极才显得更加“稳重”

锂离子电池（LiB）复合电极的内聚力和粘附强度是非常重要的机械性能，会直接影响电池的电化学寿命，更好的电极内聚力和粘附强度可以更好地保持放电容量。这对于体积变化大的硅基负极极其重要。而电极的内聚力和粘附强度通常由粘结剂提供。所以，只要粘结剂能够与活性颗粒表面和集流体表面形成强共价键的官能团，则电极的内聚力和粘附力就会显著提高。加拿大国际科学研究所（INRS）和美国南特大学提出了一种后处理过程（称为成熟），用酸性水性粘结剂制成的硅基负极改善了其机械和电化学稳定性。

图1. a）成熟电极的制备过程示意图。b）成熟机制的示意图。

 

作者这种成熟的处理过程是在极片干燥和电池组装之前，将电极在潮湿气氛（约80％RH）下保存至少2-3天，期间粘结剂会在颗粒与颗粒以及颗粒与集流体之间形成更好的粘附效果。这使得电极内界面形成有效的原位反应。首先，粘结剂倾向于集中在硅颗粒间接触，使复合薄膜的凝聚力得到加强。第二，随着铜集流体的腐蚀，会诱导铜羧酸盐键的形成，改善了复合薄膜的粘附性。与未经成熟处理的电极相比，成熟电极的电化学性能提高达10倍。

图2.用于标准a）和成熟的b）原始电极铜集流体的表面SEM图像（在用水洗去除复合Si-CB-CMC膜之后）。

图3. 标准电极和成熟电极之间的电化学性能比较：a）放电容量限制在1200 mAh/g以内的Si-CB-CMC电极（1mgSi/cm^2）;,并以满容量循环; 用水代替pH3缓冲溶液制备的b）Si-CB-CMC电极（2 mgSi/cm^2），c）Si-CB-PAA电极（2 mgSi/cm^2），和d）Si-CB-CMC电极（1 mgSi/cm^2）；e）涂在碳集流体而不是铜上的Si-CB-CMC电极（1 mgSi/cm^2），f）Si-CB-CMC电极（1 mgSi/cm^2），其中两个是只有Cu基底或只有Si粉末经过成熟处理。

 

作者的这项研究表明，通过湿法铸造工艺制备标准电极的方法受到粘结剂分布不均匀、与集流体结合不牢固的限制。但是，经成熟处理的电极可以被认为是摆脱了这种限制而呈现出更好的电化学性能。

 

Cuauhtémoc Reale Hernandez, Aurélien Etiemble,Thierry Douillard, Driss Mazouzi, Zouina Karkar, Eric Maire, DominiqueGuyomard, Bernard Lestriez, Lionel Roué; A Facile and Very Effective Method toEnhance the Mechanical Strength and the Cyclability of Si-Based Electrodes forLi-Ion Batteries; Advanced Energy Materials(2017); DOI: 10.1002/aenm.201701787