在鋰離子電池的各種負(fù)極材料中，具有極高比容量的硅負(fù)極存在的一個(gè)關(guān)鍵問題是：大幅度的體積變化導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破裂，產(chǎn)生絕緣界面層。

　　一個(gè)主要的原因在于：對于PAA等常規(guī)鋰電池粘合劑而言，分子鏈之間的氫鍵相互作用，往往難以適應(yīng)硅顆粒膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。

　　有鑒于此，近日，韓國高等科技學(xué)院的Ali Coskun和Jang Wook Choi教授領(lǐng)銜的KAIST研究小組報(bào)道了一種高彈性用于硅陽極鋰離子大容量電池的分子滑輪粘合劑，極大地提高了硅負(fù)極在充放電過程中的穩(wěn)定性。

　　圖1. 分子滑輪結(jié)構(gòu)和應(yīng)力釋放機(jī)理

　　KAIST團(tuán)隊(duì)在PAA中加入少量多聚輪烷，形成“分子滑輪”(PR-PAA)。這種“分子滑輪”的結(jié)構(gòu)較為奇特，以線性PAA聚合物框架和環(huán)狀多聚糖共價(jià)成鍵，然后由PEG鏈貫穿環(huán)中。

　　“分子滑輪”中的一部分環(huán)具有較強(qiáng)的膠粘性能，一部分環(huán)具有獨(dú)特的自由滑動(dòng)性能。聚輪烷中的環(huán)可以隨著硅顆粒的體積變化而自由移動(dòng)，環(huán)的滑動(dòng)可以有效地保持Si的顆粒形狀，使其不會(huì)在連續(xù)的體積變化過程中崩解。兩種性能的有機(jī)結(jié)合，使粘合劑彈性得到大幅提高，可承受硅負(fù)極的體積膨脹收縮變化，釋放所產(chǎn)生的應(yīng)力，在充放電過程中不至于發(fā)生破裂，穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。新粘合劑的功能與現(xiàn)有的粘合劑(通常是簡單的線性聚合物)形成鮮明對比，現(xiàn)有的粘合劑彈性有限，因此不能牢固地保持顆粒形狀。以前的粘合劑會(huì)使粉碎的顆粒發(fā)生散射，會(huì)使得硅電極降低甚至失去其容量。

　　圖2. PR-PAA膠粘劑力學(xué)性能

　　圖3. 電化學(xué)性能

　　圖4. 硅負(fù)極循環(huán)前后的SEM