Robust Polyurethane Binders Intensified by Hydrogen Bonding, a Dynamic S–S Bond, and Metal-Ion Coordination for Silicon Anodes

阳极 材料科学 法拉第效率 氢键 金属 化学工程 聚氨酯 电化学 阳极连接 水溶液中的金属离子 复合材料 化学 冶金 分子 有机化学 物理化学 电极 工程类
作者
Jianghui Huang,Fei Wang,Xiang Ma,Lingli Jia,Jiamin Wang,Hongmei Liu,Qingping Wu,Jun Xu
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (2): 1245-1254 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsapm.3c02189
摘要

Silicon (Si) anodes undergo severe volume expansion during charging and discharging, resulting in degradation of their electrochemical performance. Polymer binders are one of the most cost-effective ways to suppress the volume expansion of Si particles. In this paper, polyurethane (BFPU) containing conductive cycloalkane, a dynamic S–S bond, and multiple hydrogen bonds is synthesized. After that, polymeric cross-linked network binders with multiple functional bond groups are obtained by cross-linking BFPU and polydopamine (PDA) with metal ions like Zn 2+, Fe 3+, and Al 3+ (PDA-M-BFPU; M = Zn, Fe, Al). The introduction of metal ions, hydrogen bonding, and a dynamic S–S bond network significantly improves the Li + diffusion rate and mechanical strength, which effectively inhibits the volume expansion of the Si anode. With the addition of metal ions, the initial Coulombic efficiency (ICE) of half-cells increases from 76.5% to over 80%, especially for Si/PDA-Al-BFPU, which reaches 84.5%. Also, the capacity retention rate of Si/PDA-Al-BFPU is 76.8% after 200 cycles at 0.3 C. In addition, the full cell of NCM811//Si/PDA-Al-BFPU shows good cycle stability and rate performance. The robust BFPU binder intensified by hydrogen bonding, a dynamic S–S bond, and metal-ion coordination already exhibits great potential for application in Si anodes.
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