Dynamically Cross-Linked Polymeric Binder-Made Durable Silicon Anode of a Wide Operating Temperature Li-Ion Battery

阳极 材料科学 电池(电) 化学工程 电极 高分子化学 光电子学 物理化学 化学 热力学 功率(物理) 物理 工程类
作者
Zhen Xie,Min Zhi Rong,Ming Qiu Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (24): 28737-28748 被引量:51
标识
DOI:10.1021/acsami.1c01472
摘要

The colossal volumetric expansion (up to 300%) of the silicon (Si) anode during repeated charge-discharge cycles destabilizes the electrode structure and causes a drastic drop in capacity. Here in this work, commercial poly(acrylic acid) (PAA) is cross-linked by hydroxypropyl polyrotaxane (HPR) via reversible boronic ester bonds to achieve a water-soluble polymeric binder (PAA-B-HPR) for making the Si anode of the Li-ion battery. Slidable α-cyclodextrins of modified polyrotaxane are allowed to move around when the unwanted volume variation occurs in the course of lithiation and delithiation so that the accumulated internal stress can be equalized throughout the system, while the reversible boronic ester bonds are capable of healing the damages created during manufacturing and service to maintain the electrode integrity. As a result, the Li-ion battery assembled with the Si anode comprised of the PAA-B-HPR binder possesses outstanding specific capacity and cycle stability within a wide temperature range from 25 to 55 °C. Especially, the Si@PAA-B-HPR anode exhibits a discharge specific capacity of 1056 mA h/g at 1.4 A/g after 500 cycles under a higher temperature of 55 °C, and the corresponding capacity fading rate per cycle is only 0.10%. The present work opens an avenue toward the practical application of the Si anode for Li-ion batteries.
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