​Adv. Sci.：一种用于高性能硅负极的多功能原位共价氢键互锁粘结剂

硅作为高能量密度锂离子电池的一种前景广阔的负极材料，受到了广泛关注。然而，硅在循环过程中很容易粉化，导致失去电接触，最终缩短电池寿命。因此，人们开发了硅负极粘结剂来消散硅负极的巨大机械应力，并提高其机械性能。然而，硅负极粘结剂与铜集流体之间的界面稳定性也应得到改善。

图1 具有增强电化学性能的TUPN粘结剂的化学结构示意

首尔大学Jong-Chan Lee、釜山大学Jin Hong Lee、韩国化学技术研究所Dong-Gyun Kim等通过三甘醇（TUEG）氨基和异氰脲酸酯三缩水甘油酯（TGIC）环氧基团之间的原位交联，合成了一种硫脲聚合物网络（TUPN）粘结剂，用于高性能硅负极。研究发现，适当交联的TUPN10具有出色的机械性能，包括拉伸强度、延展性和回弹性，从而能够控制锂化/去锂化过程中体积变化产生的内应力。

此外，TGIC的环氧基团和硅的羟基形成了共价键，在电解质-电极界面上形成了稳定的SEI薄层。另外，由于硫脲和异氰尿酸酯分子的存在，集流体与TUPN10粘结剂之间形成了物理相互作用，从而提高了界面稳定性。

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图2 三维交联TUPN的设计与表征

基于这些多功能特性，采用TUPN10粘结剂的硅负极在电流密度为0.2 C时达到 2726.2 mA h g^-1的优异容量，在电流密度为1.0时达到了1839.6 mA h g^-1。此外，使用TUPN10粘结剂的硅负极还表现出稳定的循环稳定性，100次循环后的可逆容量高达1530.1 mA h g^-1，相当于73.3%的高保持率。

总体而言，这种多功能粘结剂的设计原理为进一步改进各类电极材料的潜在应用提供了巨大前景。

图3 电化学性能研究

A Multifunctional Interlocked Binder with Synergistic In Situ Covalent and Hydrogen Bonding for High-Performance Si Anode in Li-ion Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202302144