张登松/武刚/陈国荣AM: 废硅渣+聚合物涂层=锂离子电池用高性能微米Si负极

由于价格低廉且来源丰富，微米尺寸的硅颗粒是理想的硅负极。然而，由于导电性差、体积膨胀严重和固体电解质界面（SEI）不稳定，使用传统的微米级硅（μSi）负极实现稳定的电化学性能具有挑战性。

在此，上海大学张登松研究员、陈国荣副研究员及美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授等人通过在Si/C表面（PCSi）上构建独特的聚合物即聚六氮杂萘（PHATN），设计和合成了一种复合微尺寸Si负极。广泛的表征技术和理论模拟证明，PHATN作为聚合物涂层可显著提高Si/C负极性能。值得注意的是，在PCSi负极锂化过程中，PHATN中具有高电子密度的-C=N-基团首先配位Li⁺，在PHATN分子平面的两侧形成-C-N-Li键。

因此，PHATN 中的原始苯环成为活性中心以接受锂并形成稳定的富锂PHATN涂层。DFT计算表明，PHATN分子在连续锂化过程中由于分子构型的变化而膨胀，这为随后的Si颗粒体积膨胀提供了可控的空间。此外，富锂PHATN涂层在第一次锂嵌入后，承担了电解质和Si/C电极之间锂离子快速传输的介质，从而显著改善了锂离子的传输动力学。

图1. 电极中的界面机理示意图及DFT计算

值得注意的是，PCSi复合电极在充放电循环期间表现出自愈效应。在多次（放电）过程后，由于PCSi材料和粘结剂之间存在丰富的氢键，电极表面变得平坦。电化学测试表明，PCSi复合负极在1 A g^-1下循环500次后保持 1129.6 mAh g^-1的比容量，并表现出令人信服的倍率性能，在16.5 A g^-1下仍保持417.9 mAh g^-1的比容量。

因此，这项研究通过在充电和放电过程中改变聚合物分子构型，开发了一种有效的策略来解决当前微尺寸硅基负极的显著体积膨胀、界面反应不稳定和导电性差的问题，为硅渣的二次利用和合成高性能锂离子电池的微尺寸硅负极提供了解决方案。

图2. PCSi复合负极的电化学性能

High-Performance MicrosizedSi Anodes for Lithium-Ion Batteries: Insights into the Polymer Configuration Conversion Mechanism, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202109658

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张登松/武刚/陈国荣AM: 废硅渣+聚合物涂层=锂离子电池用高性能微米Si负极

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