《Contraception》：Multidimensional design of silicon anode binders: from molecular interactions to macroscopic functionality
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硅基负极因高理论容量（4200 mAh g?1）成为下一代锂离子电池（LIBs）重要候选，但其体积膨胀（~400%）导致电极结构退化、SEI不稳定等问题。粘结剂通过范德华力、氢键及化学键（共价/离子）增强硅与导电材料的结合，缓冲体积应力，改善导电性并稳定SEI界面。本文系统综述粘结剂的分子设计、结构分类（如PVDF、 polymer复合材料）及功能优化（自修复、阻燃、导电性提升），并探讨密度泛函理论（DFT）与分子动力学（MD）模拟在粘结剂开发中的应用。未来需突破多功能粘结剂的协同设计，实现规模化生产。
朱思琪|李盼盼|何同宇|傅轩轩|胡天|段源|王永欣|李康宁|史蓓茵|杨晓姣|楼晓菲|吕坤宇|张慧
中国宁夏大学化学与化工学院高效利用煤炭与绿色化学工程国家重点实验室，银川750021
摘要
基于硅的负极是下一代锂离子电池（LIBs）的有希望的候选材料，因为它们具有较高的理论容量（4200 mAh g?1）。然而，在锂化/脱锂过程中发生的显著体积膨胀（约400%）会导致电极退化，包括颗粒粉碎、电隔离以及固体电解质界面（SEI）的不稳定形成。作为关键组分的粘合剂，在维持结构完整性和缓解这些挑战方面起着至关重要的作用。本综述全面探讨了硅负极中锂储存和失效的机制，重点关注粘合剂与硅之间的相互作用，包括范德华力、氢键以及化学键（共价键和离子键）。我们根据组成和结构对粘合剂进行了分类，并强调了它们在应力分散、导电性增强和SEI稳定化方面的作用。此外，还讨论了自修复、阻燃和电化学性能优化等先进功能。最后，探讨了使用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟等计算方法进行粘合剂设计。最后，未来的发展方向强调了具有优异机械性能、高导电性和可规模化生产的多功能粘合剂，以应用于实际场景。本综述为开发高性能粘合剂以推进LIBs中的硅负极技术提供了宝贵的见解。
引言
随着绿色能源的迅速发展，新能源材料的储能和应用已成为一个重要课题，在提高新能源利用率、减少碳排放和实现可持续发展方面发挥着关键作用。当前的主要新能源储能技术包括锂离子电池（LIBs）[1]、钠离子电池（SIBs）[2]、锌离子电池（ZIBs）[3]、锂硫（Li-S）电池[4,5]、锂空气（Li-Air）电池[6]、超级电容器[7]等，这些技术被认为是下一代储能设备的候选者。其中，锂离子电池是当前电池领域中最广泛使用和最成熟的储能技术之一。锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命、低自放电率、快速充电能力和宽工作温度范围而被广泛应用于各种电子设备中[8]。然而，传统石墨负极的比容量仅为372 mAh g?1 [9]，这无法满足日益增长的技术和市场需求。硅是地球上第二丰富的元素，由于其高理论容量（4200 mAh g?1）和低工作电位，被认为是下一代锂离子电池的理想负极材料。然而，电解质在锂化/脱锂过程中发生的显著体积膨胀（约400%）引发了一系列与电极相关的问题，包括硅颗粒粉碎[10]、活性材料损失[11]以及固体电解质界面（SEI）的不稳定性[12]。为了解决这些问题，人们提出了多种解决方案。硅颗粒的改性方法包括：首先，制备零维硅纳米颗粒、一维硅纳米线和纳米管以及二维硅纳米薄膜等；其次，将硅颗粒与不同材料复合，例如硅/碳复合电极、硅/聚合物复合电极、硅/金属氧化物复合电极等；第三，设计高性能粘合剂[13,14,15]。
粘合剂是电极的重要组成部分，用于将活性材料和导电添加剂连接到集流体上。它在维持电极的结构稳定性方面起着关键作用[16]。粘合剂的主要功能是将活性材料、导电添加剂和集流体紧密地结合成稳定的电极结构[17]。对于在锂化/脱锂过程中会发生严重体积膨胀（>300%）的硅负极而言，传统粘合剂往往无法保持结构完整性，从而导致容量迅速衰减。因此，理想的硅负极粘合剂必须同时满足两个关键要求：（1）具有足够的粘附力以承受机械应力；（2）能够有效缓冲应力以保护导电网络。除了这些基本要求外，自修复性能、提高离子/电子导电性和调节SEI组成等先进功能还可以进一步优化电化学性能。高性能硅负极粘合剂应具备以下特性[18,19]：（1）均匀的浆料形成以确保电极制造的均匀性；（2）强大的粘附力和弹性以减少体积变化引起的裂纹；（3）离子/电子导电性以降低界面电阻；（4）在操作条件下的化学/电化学惰性；（5）低溶剂膨胀性以防止电极分层；（6）成本效益高且可规模化生产。然而，将这些多功能特性整合到单一粘合剂中仍然是一个重大挑战，主要源于机械/导电性能、合成复杂性和与硅基材料的兼容性之间的权衡。此外，硅负极的商业可行性在很大程度上取决于合适粘合剂的发展。硅基负极材料的发展促使研究人员不断开发相应的粘合剂。本文旨在全面概述锂离子电池的基本工作原理，重点讨论硅基负极材料中的锂储存和失效机制。后续部分简要总结了适用于硅负极的粘合剂类型，并分析了现有关于硅负极粘合剂的研究进展，主要关注粘合剂的改性、设计和功能应用方面。最后，本文展望了它们的未来发展前景。图1总结了硅负极粘合剂的研究现状和发展趋势。
锂离子电池概述
虽然大多数电池的基本结构都由正极、负极、电解质和隔膜组成，但它们的具体化学性质、反应机制和组成材料却大相径庭。例如，在基本的锂硫（Li-S）电池中，正极材料是固态硫，负极是金属锂。该电池通过硫和硫化锂之间的转化反应储存能量。锂空气电池也使用金属锂负极，但其正极通常采用多孔碳材料。
储存机制
硅作为一种合金型材料，通过与Li+的合金化/脱合金化反应实现锂化/脱锂过程。这一过程中会形成多种不同的Li-S合金相。在450°C的锂化过程中，硅会经历一系列相变，这些相变伴随着多个电压平台的出现，这些平台分别对应于不同的Si + Li12Si7、Li12Si7 + Li合金相的形成。
范德华力
范德华力，也称为分子间力，是指存在于分子之间或大分子化合物中功能基团之间的作用力[63]。这些力包括诱导力（由极性分子的偶极子对非极性分子产生的电场影响引起）、色散力（由分子瞬时偶极子之间的相互作用产生）以及取向力（源于极性分子的排列方式）。
单一组分粘合剂
PVDF因其优异的热稳定性和电化学稳定性而被广泛用作传统锂离子电池中的粘合剂[127]。然而，PVDF的线性刚性链结构主要依赖于相对较弱的范德华力与硅颗粒结合[128]。因此，它难以有效缓冲充电/放电循环过程中硅的显著体积膨胀应力，从而导致电极结构退化，最终表现为容量迅速下降。
总结
粘合剂是锂离子电池中不可或缺的电极组分，在维持电极完整性方面起着关键作用。提高粘合剂的性能显著影响电池的循环寿命和倍率性能。本综述首先概述了锂离子电池的基本原理，并从工作原理、分子组成、结构特性和功能应用的角度分析了提高粘合剂性能的机制。我们还总结了有效的粘合剂设计策略。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国自然科学基金（项目编号：52367023、U21A20325、52265017）、宁夏自然科学基金（项目编号：2024AAC03159、2025AAC030169）以及宁夏大学学生创新计划（项目编号：CXXM2025110）的支持。
