中科院青能所崔光磊、张焕瑞AM：受蛛丝蛋白启发的分级结构粘结剂实现高稳定硅基电极！

硅基电极作为下一代高能锂离子电池的理想组件，凭借超高的理论比容量吸引了越来越多的关注。然而，在大规模应用之前，硅基电极在循环过程中巨大的体积变化所带来的快速容量衰减仍然是一个巨大的挑战。

鉴于此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊教授、张焕瑞副研究员开发了一种基于水-油二元溶液的混合（AOB）粘结剂，其特点是具有类似于蛛丝蛋白样分级结构，可承受硅基电极的巨大体积变化。在AOB粘结剂中含有疏水性四氮唑基团的聚合物（PPB）和水溶性无定形聚丙烯酸，它们分别模拟了蛛丝蛋白的β-片状结构和α-螺旋结构。得益于这种生物仿生设计，AOB粘结剂既具有高拉伸强度和弹性，又具有很强的电极粘附性，从而显著稳定了硅基电极结构，延长了电极的循环寿命。此外，这种策略使得由硅/碳复合负极和NCM811正极组装而成的3.3 Ah软包电池在700次循环后的放电比容量达到 2.92 Ah。总体而言，这项工作是开发先进硅基电极、实现高能量密度锂电池应用的里程碑。

文章要点：

1. 这项工作开发了一种受蛛丝蛋白启发的分级结构粘结剂，以解决硅基电极所面临的严峻挑战。

2. 在AOB粘结剂的结构中，疏水性PPB聚合物与少量PAA在混合溶液中缩合，在亚微米级的不规则球形畴内形成结晶区域，作为粘结剂的刚性节点，模仿蛛丝蛋白的β-片状结构；而无定形PAA则模仿蛛丝蛋白的α-螺旋结构，与PPB构建离子键网络结构，类似于蛛丝蛋白一级结构中氨基末端结构域和羧基末端结构域之间的相互作用。

3. 得益于这种仿生学设计，目前开发的AOB粘结剂具有以下两个竞争优势：（1）通过分级结构设计（包括动态可逆的离子键网络）实现了卓越的机械和粘结能力。这些因素有助于实现能量耗散，从而能够适应巨大的电极体积变形；（2）较低的LUMO会导致优先还原，从而有助于形成聚合物增强SEI层。

4. 因此，与传统的PAA粘结剂相比，AOB粘结剂赋予硅和S600电极更优越的电化学性能，为实际应用符合商业级高能量密度LIB要求的硅基电极提供了良好的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303312

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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