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Continuous Long-ch a in PEG Design in Polyimide Binders Enables Durable High-Voltage Cycling of NCM811 Cathodes

材料科学 聚酰亚胺 阴极 涂层 PEG比率 溶解 复合材料 温度循环 化学工程 热稳定性 相(物质) 电池(电) 聚乙二醇 弹性(物理) 聚合物 电极 电解质 自行车 泄漏(经济)
作者
Xia Yan,Junhao Xin,Q Chen,Zixin Lv,Zhaozan Xu,Quanyuan Zhang,Nanwen Li
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:38 (10): 5085-5097
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.6c00360
摘要

High-nickel LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) cathodes suffer from severe structural degradation, interfacial side reactions, and mechanical failure under high-voltage operation. To address these challenges, a novel polyimide-polyethylene glycol binder, denoted PI-PEG3(2000), was designed by integrating flexible long-chain PEG segments into a rigid polyimide backbone via a one-step synthesis. The rigid framework enables high-voltage tolerance, while the continuous PEG segments simultaneously establish efficient Li + transport channels and provide outstanding elasticity to accommodate cycling-induced stress. When applied to NCM811 cathodes, PI-PEG3(2000) forms a uniform and dense coating that effectively suppresses interfacial side reactions, transition metal dissolution and phase transformation. As a result, cells with this binder exhibit significantly improved high-voltage cycling stability, retaining 86.2% and 76.7% capacity after 100 cycles at 4.5 and 4.7 V versus Li/Li +, respectively, outperforming conventional PVDF-based cells (66.1% and 54.2%). The binder also enables excellent rate capability, delivering 146 mAh g –1 at 5C in the 2.5–4.7 V versus Li/Li + window compared with 113 mAh g –1 for PVDF. In long-term cycling tests, the PI-PEG3(2000) binder retains 71.4% capacity after 250 cycles (2.5–4.5 V vs Li/Li + ) and 65.2% after 200 cycles (2.5–4.7 V vs Li/Li + ). Additionally, the thermal stability of fully charged cathodes is significantly improved by reducing heat release, enhancing overall battery safety. This study presents a chain-length-based design strategy for advanced binders that simultaneously achieve high-voltage stability, high ionic conductivity, and mechanical resilience, providing a promising approach for developing high-energy-density lithium-ion batteries.
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