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EnSM: 血凝塊啟發(fā)的用于鋰離子電池硅負極的新型纖維蛋白粘結(jié)劑

粘結(jié)劑是鋰離子電池硅負極的關(guān)鍵組成部分，許多研究致力于探索能夠在Si的大體積變化下抑制電隔離的新粘結(jié)劑。良好粘結(jié)劑的主要要求是高水平的表面極性和機械穩(wěn)定性，目前多糖結(jié)構(gòu)單元組成的粘結(jié)劑引起了廣泛關(guān)注。

在此，高麗大學(xué)Dong-Wan Kim及韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）Jin Gu Kang等人受血液凝塊的機械穩(wěn)固和損傷愈合方面的啟發(fā)，提出了一種基于纖維蛋白的新型粘結(jié)劑，其構(gòu)建塊是氨基酸。除了其機械性能外，纖維蛋白還表現(xiàn)出理想的分子結(jié)構(gòu)。它由兩個外周羧基末端（C末端）D區(qū)和一個中心氨基末端（N末端）E區(qū)通過一對個多肽鏈(αA, βB和γ)的螺旋連接而成。

每條多肽鏈都是由甘氨酸、精氨酸、脯氨酸等多種氨基酸通過酰胺鍵連接而成的線性組合。因此，纖維蛋白中有許多極性官能團可以與Si形成氫鍵，包括酰胺基、羥基和羧酸根。纖維蛋白纖維還具有分支結(jié)構(gòu)，其中多肽骨架具有氨基酸側(cè)鏈，有助于保持電極完整性。

圖1. 受血凝塊啟發(fā)的基于纖維蛋白的新粘結(jié)劑

結(jié)果表明，基于纖維蛋白的Si電極顯示出比基于藻酸鹽的電極更好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。通過將纖維蛋白與藻酸鹽和離子交聯(lián)混合進行進一步優(yōu)化，得到了一種先進的粘結(jié)劑，該粘結(jié)劑在 0.01~1.0 V之間表現(xiàn)出顯著提高的循環(huán)穩(wěn)定性（0.5C下500次循環(huán)后容量為740 mAh g^-1）。這種改進的電化學(xué)性能源于電極的機械完整性，這可以通過粘結(jié)劑的剛度和應(yīng)力松弛之間的平衡來實現(xiàn)。

這項工作突出了纖維蛋白作為Si負極新型粘結(jié)劑的潛力，預(yù)計由氨基酸鏈組成的許多其他細胞外基質(zhì)蛋白也可以作為有效的粘結(jié)劑。該粘結(jié)劑可以擴展到其表面具有極性的其他類別的電極材料，尤其是那些經(jīng)歷明顯體積變化的電極材料，并為優(yōu)化粘結(jié)劑的設(shè)計提供了指導(dǎo)。

圖2. 基于纖維蛋白/藻酸鹽粘結(jié)劑的硅電極的電化學(xué)性能

Blood Clot-Inspired Viscoelastic Fibrin Gel: New Aqueous Binder for Silicon Anodes in Lithium Ion Batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.12.024

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