汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是體現(xiàn)國家競爭力的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)。新能源汽車基于驅(qū)動技術(shù)的重大轉(zhuǎn)型，是汽車產(chǎn)業(yè)對能源安全、氣候變化和結(jié)構(gòu)升級的重要突破口。近年來，以電動汽車為代表的高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的能量密度、使用壽命提出了更高的技術(shù)需求，亟需開發(fā)新型高比容電極材料，解決續(xù)航里程焦慮問題。硅負(fù)極理論容量高達(dá)4200 mAh/g，十倍于傳統(tǒng)石墨負(fù)極，被認(rèn)為是新一代高比能鋰離子電池負(fù)極的理想選擇。然而硅負(fù)極在充放電過程中存在著巨大的體積膨脹（>300%），由此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力易導(dǎo)致硅顆粒的嚴(yán)重粉化和界面膜的不穩(wěn)定，嚴(yán)重阻礙了其實際應(yīng)用。設(shè)計新型聚合物粘合劑用于硅負(fù)極被認(rèn)為是一種緩減其體積膨脹、維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的有效方法，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。然而，目前已報道粘合劑易在大應(yīng)力下產(chǎn)生分子鏈滑移，引起電極結(jié)構(gòu)破壞，最終導(dǎo)致電池容量快速衰減。
梯度氫鍵粘合劑的能量耗散次序示意圖
近日，受天然抗疲勞肌聯(lián)蛋白高效應(yīng)力耗散現(xiàn)象啟發(fā)，西安交通大學(xué)宋江選教授團(tuán)隊報道了一種梯度氫鍵聚合物粘合劑用于解決高比容硅基負(fù)極大體積膨脹導(dǎo)致的應(yīng)力破壞。研究人員利用具有超支化結(jié)構(gòu)的單寧酸和聚(丙烯酸-co-2-羥乙基丙烯酸酯)構(gòu)建了具有高效應(yīng)力耗散功能的水系粘合劑。當(dāng)應(yīng)用于硅基負(fù)極時，該體系存在的多級氫鍵（-2.88 kcal mol-1~ -10.04 kcal mol-1)可以連續(xù)解離，高效地進(jìn)行能量/應(yīng)力耗散，從而避免了大應(yīng)力導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，有效解決硅負(fù)極的大體積膨脹問題，顯著提升其循環(huán)穩(wěn)定性。所制備的2 Ah NCM/Si-C軟包電池700次循環(huán)后容量保持率高達(dá)80.2%，有力地證明了該梯度能量耗散型粘合劑的實用性。研究人員進(jìn)一步通過變溫紅外光譜、核磁共振等表征方法并結(jié)合有限元模擬揭示了梯度氫鍵的演化和能量耗散機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上，西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生虎琳琳為文章第一作者。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步基于動態(tài)二硫鍵的交換作用發(fā)展了兼具自修復(fù)功能和應(yīng)力耗散功能的雙功能聚合物粘合劑，實現(xiàn)硅基負(fù)極裂紋的快速自修復(fù)，相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。新型自適應(yīng)智能粘合劑的開發(fā)為高比容電極材料的廣泛應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
上述成果均以西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室為第一單位，通訊作者為西安交通大學(xué)材料學(xué)院宋江選教授，論文合作者包括材料學(xué)院Goran Ungar教授、鄧俊楷教授、張啟路副教授。論文表征及測試得到西安交通大學(xué)分析測試共享中心和材料學(xué)院分析測試中心的支持。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃等資助。圖片（來源：西安交大）
