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Tannic Acid as a Small-Molecule Binder for Silicon Anodes

单宁酸 聚合物 材料科学 阳极 纳米技术 化学工程 化学 高分子化学 复合材料 有机化学 光电子学 电极 工程类 物理化学
作者
Kasturi Sarang,Xiaoyi Li,Andrea Miranda,Tanguy Terlier,Eun‐Suok Oh,Rafael Verduzco,Jodie L. Lutkenhaus
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (7): 6985-6994 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acsaem.0c01051
摘要

Increasing demand for portable electronic devices, electric vehicles, and grid scale energy storage has spurred interest in developing high-capacity rechargeable lithium-ion batteries (LIBs). Silicon is an abundantly available anode material that has a theoretical gravimetric capacity of 3579 mAh/g and a low operating potential of 0–1 V vs Li/Li+. However, silicon suffers from large volume variation (>300%) during lithiation and delithiation that leads to pulverization, causing delamination from the current collector and battery failure. These issues may be improved by using a binder that hydrogen bonds with the silicon nanoparticle surface. Here, we demonstrate the use of tannic acid, a natural polyphenol, as a binder for silicon anodes in lithium-ion batteries. Whereas the vast majority of silicon anode binders are high molecular weight polymers, tannic acid is explored here as a small molecule binder with abundant hydroxyl (−OH) groups (14.8 mmol of OH/g of tannic acid). This allows for the specific evaluation of hydrogen-bonding interactions toward effective binder performance without the consideration of particle bridging that occurs otherwise with high molecular weight polymers. The resultant silicon electrodes demonstrated a capacity of 850 mAh/g for 200 cycles and a higher capacity when compared to electrodes fabricated by using high molecular weight polymers such as poly(acrylic acid), sodium alginate, and poly(vinylidene fluoride). This work demonstrates that a small molecule with high hydrogen-bonding capability can be used a binder and provides insights into the behavior of small molecule binders for silicon anodes.
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