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锡和硅具有非常高的理论比容量和低的电压平台,而且储量非常丰富,被认为是下一代高能量锂离子电池负极的最佳候选体系。然而,这两种电极在循环过程中会经历巨大的体积膨胀,造成电极结构的粉化和SEI的不稳定,导致容量快速衰减,严重制约了其在实际体系中的应用。将锡或硅材料纳米化、合金化或者与导电碳材料进行复合,能够有效改善材料的循环性能,也是目前学术界采用的主流研究方案。但是提到的这些方法存在生产成本高或者牺牲比容量来降低体积膨胀等问题,是一种妥协方案。研究者发现使用新型粘结剂对于高比容量负极材料的电化学性能具有良好的促进作用。例如,羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯酸(PAA)和多糖类水溶性聚合物都可以作为高容量负极的粘结剂,并取得良好的效果。这些粘结剂的特点是都含有大量的极性基团,对提升负极循环性能具有至关重要的作用。此外,采用导电聚合物作为负极粘结剂时可以作为电子传输的桥梁,在遭受巨大的体积变化时能够维持整个电极的电子连接完整性,因而也能够极大提升电极的循环稳定性。本论文中,作者结合了水溶性粘结剂和导电粘结剂各自的特点,制备了新型的水溶性导电聚合物粘结剂,研究了其在高容量负极材料中应用并对进行改性。论文主要研究内容如下:(1)设计了以n-型聚芴为主链、大量极性基团为侧链的水溶性导电聚合物PFCOONa,并以其作为硅负极粘结剂。聚合物侧链上的极性基团能够增加聚合物的粘附力,而共轭主链有利于电子导电性的提高。而且,粘结剂的羧基基团能够与硅颗粒表面的羟基基团形成共价键,使得硅颗粒与导电材料保持紧密从而保持完整的电子传输性能。使用这种导电粘结剂的硅负极表现出良好的电化学性能。(2)研究了水溶性导电聚合物PF-COONa作为纳米锡负极粘结剂的电化学性能。锡负极在循环过程中也会出现颗粒的粉化,但是导电粘结剂PF-COONa能够提供良好的导电网络,避免锡颗粒与导电材料之间失去电子接触,同时PF-COONa能够促进电极表面SEI膜的稳定形成,因而使用PF-COONa的锡电极能够实现优秀的电化学性能。(3)通过向PF-COONa主链引入10 mol%的菲醌基团(PQ),制备了新型的具有更高导电性的负极粘结剂PFPQ-COONa。PFPQ-COONa同样具有良好的机械性质,能与硅颗粒表面形成共价键,促进导电网络与硅颗粒之间保持紧密的接触,有利于电子在界面间的转移。同时,PQ基团在低电位下能够被还原,大大提高粘结剂的导电性。因此,使用PFPQ-COONa的硅电极能够表现出比PF-COONa电极更优秀的倍率性能。