仿生磷酸化纤维素纳米晶多交联粘结剂提升硅基负极稳定性与可持续性的研究

针对硅负极材料在充放电过程中因~300%体积膨胀导致的电极破裂和性能衰退问题，本研究受天然藤蔓植物吸附机制启发，开发了一种基于磷酸化纤维素纳米晶（PCNCs）和丙烯酸松香（AR）的多重交联粘结剂。该粘结剂通过构建"软外刚内"拓扑结构，显著提升了硅负极的机械稳定性（100次循环后容量保持1272 mAh/g）和离子电导率（18.825 mS/cm2 ），为高能量密度电池提供了绿色可持续解决方案。

　　

（以下为论文解读正文）

硅材料因其4200 mAh/g的理论比容量被视为下一代高能量密度电池的理想负极，但充放电过程中高达300%的体积膨胀犹如"气球反复充放气"，导致电极粉化、固体电解质界面（SEI）破裂等问题。传统粘结剂如聚偏氟乙烯（PVDF）仅依赖范德华力，如同用橡皮筋固定不断膨胀的物体，难以维持电极结构稳定。尽管羧甲基纤维素（CMC）等生物基材料展现出环保优势，但单一交联网络仍无法有效解决离子传输与机械强度的矛盾。

福建农林大学的研究团队从自然界的藤蔓植物中获得灵感，发现爬山虎（Parthenocissus tricuspidata）通过"吸附-分散"机制实现稳固附着。受此启发，他们创新性地将磷酸化纤维素纳米晶（PCNCs）与丙烯酸松香（AR）结合，开发出具有多重相互作用的新型粘结剂。相关成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，该粘结剂使硅负极在0.2C倍率下循环100次后仍保持1272 mAh/g的容量，离子电导率提升至18.825 mS/cm²
，为硅基电池商业化提供了新思路。

研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证化学交联，通过原子力显微镜（AFM）观测表面拓扑结构，结合纳米压痕测试评估力学性能。电化学测试采用CR2032纽扣电池，硅负载量达1.5 mg/cm²
。

材料与化学制备
通过水热法在145℃下使PCNCs与AR形成酯键交联，FeCl₃
催化优化反应效率。PCNCs的高长径比（>20）构建三维网络骨架，磷酸基团促进水性聚丙烯酸（PAA）均匀分散，形成离子传输通道。

AR-PCNCs复合特性
FTIR在1720 cm^-1
处发现酯键特征峰，证实AR的羧基与PCNCs羟基成功交联。AFM显示复合物形成"章鱼吸盘"状结构，粘附力达35 nN，比纯PCNCs提升3倍。接触角测试表明磷酸化使表面能降低至28.5 mN/m，促进电解液浸润。

电化学性能
在1.5 mg/cm²
高硅负载下，初始库伦效率达86.85%。原位XRD显示该粘结剂将硅晶格膨胀率抑制在12.7%，远低于PVDF体系的29.3%。循环后SEM显示电极裂纹减少80%，SEI厚度控制在15 nm以内。

结论与展望
该研究通过仿生策略构建了氢键-离子偶极-共价键三重作用网络：PCNCs模拟藤蔓骨架提供机械支撑，AR的刚性三环结构增强电子云重叠，PAA形成动态离域网络。这种"外柔内刚"设计既缓冲应力又保护SEI，其水基加工工艺符合绿色化学原则。未来可通过引入更多生物质组分进一步降低成本，为动力电池可持续发展提供新范式。