Design of a Bioinspired Robust Three-Dimensional Cross-Linked Polymer Binder for High-Performance Li-Ion Battery Applications

材料科学 化学工程 聚合物 离子 纳米技术 电池(电) 复合材料 有机化学 量子力学 物理 工程类 功率(物理) 化学
作者
Nam‐Kyu Lim,Eun‐Kyung Kim,Jin Ju Park,Su-Jong Bae,Sanghyeon Woo,Jae‐Hak Choi,Woo‐Jin Song
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (47): 54409-54418 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsami.3c11360
摘要

Si has the highest theoretical capacity (4200 mA h g –1 ) among conventional anode materials, such as graphite (372 mA h g –1 ), but its large volume expansion leads to deterioration of the battery performance. To overcome this problem (issue), we investigated the use of polysaccharide-based 3D cross-linked network binders for Si anodes, in which the polysaccharide formed an effective 3D cross-linked network around Si particles via cross-linking of polysaccharide with citric acid (CA). Sodium alginate (SA), a natural polysaccharide extracted from brown algae, is a suitable binder material for Si anodes because its abundant hydroxyl (−OH) and carboxyl (−COOH) groups form hydrogen and covalent bonds with the −OH groups present on the Si surface. We found that CA-cross-linked (CA-SA) could effectively prevent the volume expansion of Si anodes through the formation of 3D cross-linked network structures. In addition, the CA-SA binders provide enhanced adhesion strength, enabling the fabrication of more robust electrodes than those prepared using binders with linear structures (“linear binders”). In particular, the fabricated Si-based electrode (high mass loading of 1.5 mg cm –2 ) with CA-SA binder exhibited outstanding areal capacity (∼2.7 mA h cm –2 ) and excellent cycle retention (∼100% after 100 cycles).
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