High-Toughness and Hierarchical Stress-Dissipating Binder Based on Physicochemical Dual-Cross-Linking for High-Performance Silicon Anodes

材料科学 韧性 压力(语言学) 复合材料 阳极 对偶(语法数字) 冶金 电极 语言学 文学类 哲学 艺术 物理化学 化学
作者
Yang He,Feng Zhou,Yingxi Zhang,Tuan Lv,Paul K. Chu,Kaifu Huo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (14): 21206-21214 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.4c22696
摘要

Silicon (Si) is a promising anode material for next-generation lithium-ion batteries (LIBs), but the huge volume change of Si particles causes anode fracture and delamination from the current collector, thereby stifling practical implementation. Herein, a high-toughness and hierarchical stress-dissipating binder for Si anodes is prepared by the covalent and hydrogen bonding of poly(acrylic acid) (PAA) and a cross-linked polyurethane (CPU). The physicochemical dual-cross-linked CPU-PAA binder with high toughness, large tensile strength, and hierarchical stress dissipation improves the structural integrity of Si anodes and minimizes thickness swelling. Finite element analysis confirms that the CPU-PAA binder reduces and uniformizes the stress distribution within the Si anodes during cycling. As a result, the Si/CPU-PAA anode shows a high capacity retention of 82.3% after 150 cycles at a high current density of 5 A g-1. Moreover, the Si/CPU-PAA//LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 full cell delivers stable cycling performance, highlighting the great potential of the CPU-PAA binder in high-energy-density LIBs. This work provides insights into the design of high-strength, large-toughness, and efficient stress-dissipating binders for high-performance Si anodes.
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