氧化硅（SiOx，0<x<2）材料以其高比容量和低氧化還原電位而著稱，是石墨負極最有前途的替代者之一。然而，其實際應用受到循環過程中體積的大幅變化 （約翻倍）和其導電性差等因素的影響。之前的研究揭示了SiOx不受限制的膨脹-收縮過程導致固體電解質界面（SEI）增厚，并最終導致電子滲透網絡的擊穿（Nat. Comm., 2023, 14, 6048）。為了緩解這種情況，構建具有高機械強度的導電聚合物網絡對于提升電池體系導電性和穩定SiOx以及防止體積引起變化的電子和鋰離子（e-/Li+）傳輸網絡崩潰至關重要。遺憾的是，現有的粘合劑無法同時滿足這兩個要求。受剛性共軛結構約束的導電聚合物通常具有較低的機械強度，無法適應SiOx的體積變化。預交聯導電聚合物可以提高機械強度，但這反過來又會導致其溶解度變差，從而影響負極顆粒的分散性。
彈性e-/Li+傳輸網絡的設計
近日，深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊提出了一種原位光交聯策略，該策略借助硫醇-烯光點擊反應在SiOx電極中原位構建了一種電子和鋰離子傳輸網絡（圖1）。與熱交聯方法相比，它提供了更強可控性。在漿料中使用未交聯的導電聚合物有助于活性材料的良好分散，從而確保負極顆粒在電極中具有良好的均勻性。交聯后，所得聚合物結合了聚醚鏈段的柔韌性和聚芴鏈段的剛性，形成彈性的結合網絡。同時，共軛主鏈構建的電子滲流網絡以及由交聯鏈段提供的鋰離子傳輸通道，確保了負極中穩定的電荷轉移。由于粘結劑機械性能的提高，SiOx電極的第一次循環膨脹率從157%顯著降低到69%。研究團隊利用一系列表征手段研究了SiOx的結構演變，并發現原位形成的彈性聚合物網絡不僅保留了SiOx電極的結構完整性，而且還有助于維持SEI內組分和結構的穩定性（圖2）。利用這種粘合劑系統，SiOx電極比使用未交聯和非原位交聯粘合劑的電極表現出卓越的電化學性能。
原位光交聯策略通過構建的三功能粘結劑網絡提高SiOx電極性能的機制
結果表明，所提出的適用于大規模制備電極的原位光交聯粘合劑技術，通過穩定電極體相和顆粒界面來提高SiOx性能。在電極中原位構建剛性和柔性段交替的均勻三維彈性導電網絡，抑制電極的膨脹，緩解電極內部顆粒的不可逆粉碎；借Nano-CT和FIB-SEM三維重構技術，證明了在開發高性能粘結劑時，顆粒表面聚合物層的均勻性不容忽視，這直接影響電極的均勻性和顆粒在反復膨脹過程中的完整性。正如XPS和sXAS的結果所證明的那樣，通過限制SiOx的自由膨脹-收縮過程，減少電解液分解，有效地保持了SEI內組分和結構的穩定性。通過易擴展的電極制備方法在顆粒表面原位構建電子和鋰離子傳輸網絡，本研究同時調節了SiOx負極的電荷傳導和機械穩定性，為高容量負極的設計提供了新的見解。相關研究成果以“Establishing an elastic electron/lithium-ion transport network via in situ crosslinking for stabilizing interphases in SiOx electrodes”為題，發表于國際材料知名期刊Matter上（DOI: 10.1016/j.matt.2024.101952）。