提高锂离子和锂金属电池能量密度的关键在于开发高容量电极材料。其中，天然丰富的硅(Si)、氧化硅和硫(S)因其超高的理论容量而成为出色的负极和正极材料。然而，这些高比能量电极在实际应用过程中都存在稳定性问题，首先，充电和放电状态下活性材料的体积变化会破坏电极结构并带来连续的固体电解质界面（SEI）生长；其次，活性材料的离子和电子传导性较差，阻碍了锂在电极内的扩散，导致倍率性能较差。对于锂硫（Li-S）电池，多硫化锂（LiPSs）穿梭效应带来了严重的活性材料损失，并在正极本体中产生了许多空隙，这进一步加剧了容量衰减和结构破坏。
浙江大学张庆华/詹晓力教授课题组长期从事多尺度界面材料与特种树脂材料的研究，最近在界面功能材料与储能工程领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）。课题组基于在仿生智能材料领域的相关工作基础，开发了一种自修复型聚电解质粘合剂，通过可重构的氢键和离子键在室温下原位交联聚多巴胺、植酸和聚（丙烯酰胺-co-2-（二甲基氨基）乙基丙烯酸酯），获得的交联网络可以在没有额外刺激的情况下恢复其机械强度，为受到大体积变化问题困扰的电极提供了可靠的策略。
【文章要点】
在这项工作中，通过自由基聚合制备了富含极性基团的聚（丙烯酰胺-co-2-（二甲基氨基）乙基丙烯酸酯）（AM-co-DMAEA）共聚物，在此基础上，作者先后引入微量多巴胺和植酸，在室温下原位生成紧密的交联聚电解质粘合剂网络。所制备的双交联聚电解质粘合剂显示出自发的自愈特性、出色的多硫化锂吸附性和良好的离子电导率（图1）。通过调整共聚物的组成，可以很好地调节粘合剂的机械性能和电解质吸收，从而在 S、Si和Si-石墨电极中产生比商业粘合剂更好的应用结果。
图1. 自修复聚电解质粘结剂的合成过程及其自修复、LiPSs吸附和Li传输增强特性。
作者在聚(AM-co-DMAEA)中依次加入多巴胺和植酸制备聚电解质粘合剂(AXDY-PA)，包括S-C复合材料和Si NPs在内的活性材料即使用胶带剥离、反复折叠和展开、长期电解液浸泡或超声处理，都可以牢固地粘附在铝或铜箔上。
图2.材料的表征与电极的折叠、展开和电解液浸泡。
使用自修复聚电解质粘合剂制备的硫（S）和硅（Si）电极在长期循环后可以有效地保持其结构完整性。此外，在抑制多硫化锂穿梭和加速锂离子传输方面，极性基团，尤其是带负电荷的磷酸根离子使聚电解质粘合剂成为比商业聚偏二氟乙烯更有效的粘合剂。
图3. 不同 AXDY-PA 粘合剂基硫正极的电化学性能
由于具有自修复性质的粘结剂能够稳定维持电极结构，可用于制备体积变化较大的 Si 负极实现电池高倍率下的循环稳定性。
图4. 不同 AXDY-PA 粘合剂基硅负极的电化学性能
综上，该种聚电解质粘合剂可以同时使高活性材料负载S正极、Si和SiO-石墨负极，具有高面积容量和满足循环稳定性，该研究为构建多用途聚电解质粘合剂提供了一种简单、低成本和环保的策略。以上研究成果以A Self-Healable Polyelectrolyte Binder for Highly Stabilized Sulfur, Silicon, and Silicon Oxides Electrodes为题发表在期刊Adv. Funct. Mater.上，该工作的第一作者为浙江大学化工学院博士生金碧玉（现工作于安徽工业大学），浙江大学化工学院、浙江大学衢州研究院张庆华教授，安徽工业大学何孝军教授为共同通讯作者。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202104433
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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