POSTECH 和 Sogang 大学的研究人员开发出一种功能性聚合物粘合剂，用于制造稳定、高容量的阳极材料，与目前的石墨阳极电动汽车电池相比，可将目前的电动汽车续航里程提高至少 10 倍。
按重量计，使用 3-8% 硅负极的电动汽车已经投入商业使用，续航里程增加了 10-30%。
每个月都有大约 2000 篇关于改进阳极用硅的研究论文。
有相当多的实验室工作将硅的使用量控制在 30-40% 的重量范围内。
我们需要一种能快速生产更多硅的工艺，并将其推广到数十亿个电池单元和数百万辆电动汽车中。
韩国研究人员为一种高容量阳极材料开发出了带电聚合物粘合剂，这种材料既稳定又可靠，其容量是传统石墨阳极的 10 倍或更高。
这一突破是在保持稳定性和可靠性的前提下，用结合了分层带电聚合物的硅阳极取代石墨而实现的。
研究成果作为封面文章发表在《先进功能材料》上。
如果电池阳极中有更多的硅，那么它的能量就更大。但是，硅会膨胀，会减少阳极的充电次数，如果膨胀过多，就会完全损坏电池。据报道，2023 年，特斯拉已在电池阳极中添加了多达 5% 的硅。
阳极中使用硅的好处和主要挑战
硅与锂的反应机制是金属间合金化。在重量相同的情况下，硅的容量（3600 mAh/g）几乎是石墨（372 mAh/g）的十倍。使用更多的硅基阳极可使能量密度比实际值提高至少 30%。
由于硅在电池循环过程中的复杂性：硅颗粒会发生巨大的体积变化，即体积膨胀率高达 300%（而石墨的体积膨胀率仅为 13%），因此负极制造商在电极中引入了硅，但其重量百分比较低，约为 3% 至 8%。
CIC energiGUNE 公司已经发表了高含量硅阳极（硅在电极中的重量百分比为 30 - 40）的科研成果。
Amprius 和 OneD 等公司都在尝试使用纳米线。纳米线是传统扁平和圆形形态的良好替代品，因为纳米线留有膨胀空间，体积变化几乎可以忽略不计。
研究人员正在使用 CMC 作为粘合剂，以应对更多硅的膨胀。
2023 年上半年，与硅基阳极相关的已发表文章约有 13000 篇。
2023 年韩国聚合物硅阳极研究
迄今为止的研究主要集中在化学交联和氢键方面。化学交联涉及粘合剂分子之间的共价键合，使其固化，但有一个致命缺陷：一旦键合断裂，就无法恢复。氢键是分子间基于电负性差异的一种可逆的二级键合，但其强度（10-65 kJ/mol）相对较弱。
研究小组开发的新型聚合物不仅利用了氢键，还利用了库仑力（正负电荷之间的吸引力）。库仑力的强度为 250 kJ/mol，远高于氢键的强度，但库仑力是可逆的，因此很容易控制体积膨胀。高容量阳极材料的表面大多带负电荷，分层带电聚合物交替排列带正电荷和负电荷，可有效地与阳极结合。此外，研究小组还引入了聚乙二醇来调节物理性质并促进锂离子扩散，从而实现了锂离子电池中厚实的高容量电极和最高的能量密度。
总结
高容量负极材料因其理论容量高而有望提高锂离子电池的能量密度。
然而，充放电循环过程中巨大的体积变化会导致容量快速衰减，从而限制了实际应用。
本文介绍了一种分层带电聚合物粘合剂，这种粘合剂能利用强大但可逆的库仑相互作用和丰富的氢键有效地整合高容量阳极。
带电聚合物粘合剂能在活性材料上构建动态电荷导向网络，具有很高的通用性，并能以其优异的机械性能有效消散电极应力。
此外，带电粘合剂中的聚乙二醇（PEG）分子提供了一条快速的锂离子传导途径，可形成超厚的氧化硅（SiOx）基电极（≈10.2 mAh cm-2），同时不影响可逆比容量，并作为机械调制器促进有效的电荷相互作用。这种前所未有的电荷定向粘合剂为高容量阳极粘合剂的合理设计提供了启示。