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Designing a Polyurethane Ionomer for Micro-Si Anodes: Adhesion, Ion Transport, and Cycling Stability from a Waterborne Binder

离聚物 材料科学 聚氨酯 弹性体 离子电导率 傅里叶变换红外光谱 化学工程 扩散 阳极 离子键合 复合材料 锂(药物) 离子 高分子化学 离子强度 粒子(生态学) 聚合物 甲基丙烯酸酯 粒径 玻璃离子水门汀 法拉第效率 动力学 纳米复合材料 体积热力学 电导率
作者
Sadegh Askari,Olena Sevastyanova
出处
期刊: [American Chemical Society]
卷期号:4 (6): 2989-3000 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsaenm.6c00289
摘要

Abstract Silicon is an attractive anode material due to its high theoretical capacity; however, microsilicon (μSi) powders undergo large volume changes, repeated SEI damage, and particle debonding, leading to capacity-degrading transport losses. Here, we develop a water-borne polyurethane (WPU) ionomer binder composed of PTMEG/PEG soft segments and a PEG–citric-acid polyol. Partial LiOH neutralization converts carboxylic acids to lithium carboxylates, providing multipoint anchoring to Si/SiOx, reversible ionic associations, and Li-ion conduction pathways. Two formulations differing in PTMEG:di-PEG-CA ratio were synthesized via a solvent-minimized water-inversion route. NMR, HSQC, and FTIR confirm the targeted segmented ionomer architecture. The ionomeric WPUs are elastomeric (>1500% strain) with tunable modulus across formulations. Relative to a poly(acrylic acid) (PAA) binder, the ionic conductivity increases by an order of magnitude (1.8–2.2 × 10–4 vs 2.4 × 10–5 S cm–1), and the peel strength approximately doubles (∼2.0–2.2 vs ∼0.9–1.0 N cm–1). In μSi half-cells at 0.2 C, the capacity stabilizes at ∼2.1–2.3 Ah g–1 after 500 cycles with a Coulombic efficiency ≥ 99.98%, whereas PAA shows rapid fading to ∼1.0 Ah g–1. Postcycling Warburg slopes (19.3, 28.9 vs 123.2 Ω·s1/2) and GITT-derived diffusion coefficients confirm substantially faster Li+ transport for both ionomeric binders. These results establish LiOH-neutralized WPU ionomers as a practical, NMP-free binder platform for μSi anodes, with the degree of neutralization and soft/hard-segment ratio serving as key tuning parameters.
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