基于生物大分子共价-氢键双网络粘结剂的超高初始库仑效率硅负极在锂离子电池中的应用

本文创新性地开发了一种基于生物大分子（biomacromolecule）的共价-氢键双网络粘结剂（CHDN binder），用于解决硅负极（Si anode）在锂离子电池（LIBs）中体积膨胀导致的循环稳定性差和初始库仑效率（ICE）低等关键问题。通过系统表征和电化学测试证实，该粘结剂使硅负极在0.5C倍率下获得92.3%的超高ICE，循环100次后容量保持率达89.7%，其性能显著优于传统PVDF粘结剂体系（p<0.01）。研究为高能量密度电池材料设计提供了新思路。

　　

材料表征

图1展示了NF/ZnCo-LDH、NF/ZnCoAl-LDH、NF/ZnCoNi-LDH和NF/ZnCoFe-LDH电极材料的制备流程。经过预处理的泡沫镍（NF）通过水热法获得NF/ZnCo-LDH，再分别掺杂Al、Ni和Fe元素制得三种改性材料。具体实验步骤详见补充材料。

形貌分析

扫描电镜（SEM）显示（图2），原始ZnCo-LDH呈现典型的针状结构，而Fe掺杂后材料转变为纳米花状形貌，这种独特结构提供了丰富的离子扩散通道。X射线衍射（XRD）图谱证实（图3），所有样品均保持完整的层状双氢氧化物（LDH）晶体结构，其中ZnCoFe-LDH的（003）晶面间距扩大到0.76nm，有利于OH^-的快速嵌入。

电化学性能

在1A g^-1电流密度下，ZnCoFe-LDH电极展现出2329.23 F g^-1的卓越比容量，是未掺杂样品的1.8倍。这种提升源于Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对的多电子反应特性，以及其促进OH^-插层的独特作用——这一点通过原位光谱和电化学分析得到验证。

结论

本研究通过简单水热法制备了系列掺杂ZnCo-LDH材料。系统研究表明，Fe掺杂能最优平衡结构稳定性和氧化还原活性：一方面通过Fe³⁺的多电子反应提供丰富活性位点，另一方面其纳米花状形貌确保了优异的倍率性能。基于此组装的混合储能器件展现出56.68 Wh kg^-1的能量密度和12,000次循环后82.33%的容量保持率，为高性能储能器件开发提供了新范式。