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Silk fibroin-based biopolymer composite binders with gradient binding energy and strong adhesion force for high-performance micro-sized silicon anodes

引用

Journal of Energy Chemistry 2023年第5期80卷 442-451,I0010页

作者： Panpan Dong Xiahui Zhang Julio Zamora john mccloy Min-Kyu Song School of Mechanical and Materials Engineering Washington State UniversityPullmanWashington 99164United States

Micro-sized silicon anodes have shown much promise in large-scale industrial production of high-energy lithium batteries.However,large volume change(>300%)of silicon anodes causes severe particle pulverization and the formation of unstable solid electrolyte interphases during cycling,leading to rapid capacity decay and short cycle life of lithium-ion batteries.When addressing such issues,binder plays key roles in obtaining good structural integrity of silicon anodes.Herein,we report a biopolymer composite binder composed of rigid poly(acrylic acid)(PAA)and flexible silk fibroin(SF)tailored for micro-sized silicon anodes.The PAA/SF binder shows robust gradient binding energy via chemical interactions between carboxyl and amide groups,which can effectively accommodate large volume change of silicon.This PAA/SF binder also shows much stronger adhesion force and improved binding towards high-surface/defective carbon additives,resulting in better electrochemical stability and higher coulombic efficiency,than conventional PAA binder.As such,micro-sized silicon/carbon anodes fabricated with novel PAA/SF binder exhibit much better cyclability(up to 500 cycles at 0.5 C)and enhanced rate capability compared with conventional PAA-based anodes.This work provides new insights into the design of functional binders for high-capacity electrodes suffering from large volume change for the development of nextgeneration lithium batteries.

关键词： Micro-sized silicon Binder Silk fbroin Strong adhesion force Rate capability Cyclability

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