Rational Design of a Multifunctional Binder for High-Capacity Silicon-Based Anodes

阳极 材料科学 合理设计 纳米技术 冶金 化学 电极 物理化学
作者
Peng‐Fei Cao,Guang Yang,Bingrui Li,Yiman Zhang,Sheng Zhao,Shuo Zhang,Andrew Erwin,Zhengcheng Zhang,Alexei P. Sokolov,Jagjit Nanda,Tomonori Saito
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:4 (5): 1171-1180 被引量:114
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.9b00815
摘要

Although several principles have been recognized to fabricate a nominal "better" binder, there continues to be a lack of a rational design and synthesis approach that would meet the robust criteria required for silicon (Si) anodes. Herein, we report a synthetic polymer binder, i.e., catechol-functionalized chitosan cross-linked by glutaraldehyde (CS-CG+GA), that serves dual functionalities: (a) wetness-resistant adhesion capability via catechol grafting and (b) mechanical robustness via in situ formation of a three-dimensional (3D) network. A SiNP-based anode with a designed functional polymer network (CS-CG10%+6%GA) exhibits a capacity retention of 91.5% after 100 cycles (2144 ± 14 mAh/g). Properties that are traditionally considered to be advantageous, including stronger adhesion strength and higher mechanical robustness, do not always improve the binder performance. A clear relationship between these properties and ultimate electrochemical performance is established by assessing the rheological behavior, mechanical property, adhesion force, peel stress, morphology evolution, and semiquantitative evaluation. This study provides a clear path for the rational design of high-performance functional polymer binders for not only Si-based electrodes but also other types of alloy and conversion-based electrodes.
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