Constructing high-toughness polyimide binder with robust polarity and ion-conductive mechanisms ensuring long-term operational stability of silicon-based anodes

材料科学 阳极 聚酰亚胺 极性(国际关系) 导电体 韧性 复合材料 化学工程 光电子学 化学 电极 工程类 图层(电子) 生物化学 物理化学 细胞
作者
Yongjun Kang,Nanxi Dong,Fangzhou Liu,Daolei Lin,Bingxue Liu,Guofeng Tian,Shengli Qi,Dezhen Wu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:93: 580-591
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.02.031
摘要

Silicon-based materials have demonstrated remarkable potential in high-energy-density batteries owing to their high theoretical capacity. However, the significant volume expansion of silicon seriously hinders its utilization as a lithium-ion anode. Herein, a functionalized high-toughness polyimide (PDMI) is synthesized by copolymerizing the 4,4'-Oxydiphthalic anhydride (ODPA) with 4,4′-oxydianiline (ODA), 2,3-diaminobenzoic acid (DABA), and 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyl disiloxane (DMS). The combination of rigid benzene rings and flexible oxygen groups (-O-) in the PDMI molecular chain via a rigidness/softness coupling mechanism contributes to high toughness. The plentiful polar carboxyl (-COOH) groups establish robust bonding strength. Rapid ionic transport is achieved by incorporating the flexible siloxane segment (Si-O-Si), which imparts high molecular chain motility and augments free volume holes to facilitate lithium-ion transport (9.8×10-10 cm2 s-1 vs. 16×10-10 cm2 s-1). As expected, the SiOx@PDMI-1.5 electrode delivers brilliant long-term cycle performance with a remarkable capacity retention of 85% over 500 cycles at 1.3 A g-1. The well-designed functionalized polyimide also significantly enhances the electrochemical properties of Si nanoparticles electrode. Meanwhile, the assembled SiOx@PDMI-1.5/NCM811 full cell delivers a high retention of 80% after 100 cycles. The perspective of the binder design strategy based on polyimide modification delivers a novel path toward high-capacity electrodes for high-energy-density batteries.
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