鋰電網訊：鋰離子電池能量密度的不斷提高，傳統的石墨類材料已經無法滿足高比能鋰電池的需求，Si材料的理論容量可達到4200mAh/g，能夠有效提升鋰電池的比能量，但是Si材料在完全嵌鋰時會產生高達300%的體積膨脹，造成Si材料在循環過程中可逆容量急劇衰降，這嚴重阻礙了Si材料的應用。如何增強活性物質與銅箔之間的粘接性，減少活性物質的損失對于提升Si負極材料的循環性能就變的尤為重要。
傳統的提升粘接性的方法主要是更換粘接性更好的粘結劑，但是也有人另辟蹊徑，例如韓國的韓巴大學的Inseong Cho等人就通過在Cu箔的表面增加一層聚多巴胺涂層的方法增加了活性物質與集流體之間的粘接性，減少了循環過程中電極與集流體分層的現象，從而大幅提升了Si負極材料的循環和倍率性能。
上圖a中左側的為沒有經過處理的裸銅箔，右側為經過聚多巴胺處理的Cu箔，從顏色上能夠看到經過聚多巴胺處理后銅箔的顏色已經明顯變深，從XPS測試結果上也能夠看到普通的Cu箔僅僅是出現了一個O1s峰，對應的為Cu表面的氧化物，而處理后的Cu箔表面則觀察到了N 1s峰，表明Cu箔表面形成了聚多巴胺涂層（含有大量的氨基），而這些聚多巴胺中的氨基又能夠與PAA粘結劑中的羥基發生縮合反應，從而極大的提升負極活性物質層與Cu箔集流體之間的粘接性。
試驗中Inseong Cho除了制備聚多巴胺涂層處理的Cu箔外，還對部分處理后的Cu箔在80℃的真空環境中進行了熱處理，從而使得聚多巴胺與電極中的PAA粘結劑之間發生縮合反應，從而進一步的增強電極與集流體之間的粘接性，測試表明普通銅箔的剝離強度為245.5N/m，而聚多巴胺涂層處理后的Cu箔的剝離強度提高到了297.5N/m，經過熱處理后的聚多巴胺涂層處理Cu箔的剝離強度更是達到了353.2N/m。更好的粘接性也讓Si材料在循環性能上表現更加出色，從下面圖中我們能夠看到粘接性最好的熱處理聚多巴胺涂層Cu箔在經過500次循環（0.5C）后，可逆容量仍然高達1590mAh/g，容量保持率高達69%，聚多巴胺涂層處理Cu箔的剩余可逆容量為1361.1mAh/g，容量保持率為61%，而沒有經過處理的普通Cu箔的剩余可逆容量僅有963.9mAh/g，容量保持率僅為44%。
粘接性對于Si負極電化學性能的影響不僅僅表現在循環性能，從下圖我們能夠看到粘接性更好的電極在倍率性能上同樣表現出色，在9A/g的大電流密度下，粘接性最強的熱處理聚多巴胺涂層銅箔仍然可以發揮出1083.3mh/g，粘接性稍弱的聚多巴胺涂層銅箔的可逆容量為800mAh/g，而粘接性最弱的普通銅箔的容量發揮也最低，僅為6.7mAh/g，關于粘結性增強提升硅碳負極倍率性能的作用機理我們已經在上一篇文章中作了詳細的介紹，這里就不做贅述了。
談到硅碳負極性能提升的作用機理就不得不說Si材料在嵌鋰過程中產生的體積膨脹對于Si/C負極電極結構的破壞，下圖為三種銅箔的硅碳負極的橫截面SEM圖片，從圖中可以看到測試之前三種銅箔的電極具有相似的形貌，但是在經過預循環之后我們能夠從下圖d中看到普通銅箔的硅碳負極中出現了大量的裂紋，而聚多巴胺涂層銅箔的硅碳電極（下圖e）和熱處理聚多巴胺涂層銅箔硅碳電極（下圖f）則沒有出現明顯的裂紋。在經過倍率測試的50個循環后這一趨勢變的更加明顯，從下圖g可以看到普通銅箔硅碳負極經過50次循環后，電極層已經與銅箔集流體之間出現了明顯的分層現象，而粘接性更強的聚多巴胺涂層銅箔則僅僅是出現了輕微的分層現象，而粘接性最強的熱處理聚多巴胺涂層銅箔硅碳負極在50多次循環后沒有出現明顯的分層現象，這表明更強的粘接性能夠有效的減少循環過程中由于Si材料體積膨脹造成的電極/集流體之間分層、脫落現象，減少活性物質的損失，從而大幅提升硅碳電池的循環性能。
硅碳負極的應用無論如何也繞不開體積膨脹大這個梗，粘接性更好的粘結劑和能夠形成更加穩定SEI膜的電解液都是我們常用的抑制Si材料體積膨脹對于電極結構破壞的手法，而Inseong Cho等人的工作讓我們看到我們還可以通過在銅箔表面進行涂層處理的方式增強活性物質與銅箔之間的粘接性，減少循環過程中電極層與集流體之間分層現象，減少活性物質的損失，極大Si負極的循環性能，這一思路對于長壽命硅碳電池的設計工作具有重要的參考價值。
