如今,我们的日常生活已经离不开锂离子电池的应用,锂离子电池已经在便携式电子设备、电动自行车、电动汽车等领域中发挥着不可替代的作用.尽管如此,锂离子电池仍需要不断满足高新技术领域提出的高要求,例如:更高的能量密度、更长的使用寿命、更好的安全性能、更低的制造成本等.为了满足这些要求,探索新型的锂离子电池材料成为提升电池性能的主要研究方向[1].
硅基锂离子电池的负极材料具有非常高的理论比容量(4 200 mAh/g),是传统石墨电极材料(372 mAh/g)的十几倍.硅负极具有一个适宜的放电电位平台,硅材料在自然界中含量丰富、环境友好、化学性质相对稳定,是一种较为理想的锂离子电池负极材料.然而硅负极材料在充放电过程中有着比较明显的体积膨胀效应,硅颗粒的体积变化较大(>300%),体积变化会产生较高的内应力,使得硅的形态粉碎,电极材料粉化、脱落,极大地影响了电池的循环稳定性[2].目前主要通过制备硅碳复合材料和纳米结构的硅材料,以及研发高性能的黏结剂来解决这个问题.其中前两种材料的制备过程较为复杂,且造价昂贵,因此研发高性能的黏结剂成为改善硅基锂离子电池性能的一种有效途径.
黏结剂在锂离子电池中发挥着重要的作用,它将电极的活性物质、导电添加剂和集流体连接为一个整体,对电池性能具有重要影响[3-4].根据溶剂的不同,黏结剂可以分为溶于有机溶剂的油性黏结剂和溶于水的水性黏结剂.传统的油性聚偏氟乙烯(PVDF)作黏结剂时需要溶解到N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中,而有机溶剂价格昂贵、具有毒性且易燃易爆; 此外PVDF黏结剂的电子和离子电导性较差,对硅基锂离子电池的性能提升较小,极大地限制了PVDF黏结剂的发展[5].
与油性黏结剂相比,水性黏结剂绿色环保而且价格低廉,目前,对于水性黏结剂的研究也越来越广泛.研究较为普遍的硅负极锂离子电池水溶性聚合物黏结剂主要有:羧甲基纤维素钠(CMC)、海藻酸钠(SA)、瓜尔胶(GG)和聚丙烯酸钠(NaPAA)[6-8]等.研究发现:这些水溶性聚合物分子具有大量的羧基(—COOH)和羟基(—OH)等极性官能团,能够与被黏结物质(如活性物质硅颗粒表面的氧化硅层)形成大量的氢键,具有较强的相互作用力; 而且聚合物的链状结构(如线性或者体型对活性物质的包裹性)对活性物质硅的体积膨胀有缓冲作用,使这些极性水溶性聚合物黏结剂能够有效地限制硅负极材料在充放电过程中的体积变化,有效地提升硅基锂离子电池的电化学性能[9-10].
黄蓍胶易溶于水且环境友好可再生,热稳定性良好,较低浓度时溶于水就能形成黏性较强的水凝胶,主要成分是以半乳糖残基为主链、阿拉伯糖残基为支链的水溶性阴离子多糖,其主要成分的分子结构具有较多的支链且含有大量的羧基和羟基等极性官能团[11-12].因此选用黄蓍胶作为硅负极锂离子电池黏结剂,通过与硅纳米颗粒之间形成较强的相互作用力,从而提高硅负极的充放电循环稳定性.本研究分别以黄蓍胶与常见的CMC作黏结剂制备锂离子电池,通过对电池的充放电循环性能、倍率性能、循环伏安特性、电化学阻抗(EIS)和电极形貌表征结果的对比,分析两种黏结剂/硅电极的电化学性能.