硅/碳（Si/C）复合负极是高能量密度锂离子电池最有前景的候选材料之一，但在循环过程中却遭受严重的体积波动和界面退化问题。2026年1月8日，上海交通大学李磊、颜徐州、Jun Zhao，北京小米移动软件有限公司Sihong Du在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Water-Processable Covalent-and-Supramolecular Polymeric Binders for Silicon/Carbon Anodes with High Interfacial Stability in Lithium-Ion Batteries》的研究论文，Tinghao Yun、Kexing Cai为论文共同第一作者，李磊、颜徐州、Jun Zhao、Sihong Du为论文共同通讯作者。本文中，作者报道了一种可水系加工的共价–超分子聚合物粘结剂（CSPBs），该粘结剂能协同耗散机械应力并促进Li+传输，从而稳定Si/C负极界面。CSPBs通过在电极制备过程中发生的酰胺化反应，将聚丙烯酸（PAA）、氨基封端的八臂聚乙二醇（8arm-PEG-NH2）以及苯并-21-冠-7/二级铵盐主–客体复合物整合在一起。共价连接赋予结构高完整性，而可逆的超分子相互作用则作为牺牲键，用以耗散硅体积膨胀产生的应力。此外，富氧的PEG链形成连续的Li+传导通道，实现高效的离子传输。因此，基于CSPB-2的Si/C负极在1C下循环265圈后仍保持582.0 mAh g-1的高比容量，且倍率性能优于仅含PAA或仅依靠共价交联的粘结剂（CCBs）。动力学分析显示Li+扩散系数显著提升，证实了该粘结体系离子导电性的增强。本工作展示了一种在可持续、可水系加工的聚合物粘结体系中整合共价锚定与动态超分子适应性的新策略，为设计耐用且高性能的硅基负极铺平了道路。为满足长寿命、高能量密度锂离子电池的需求，学界与产业界正全力开发下一代高容量活性材料与关键组分。其中，硅/碳（Si/C）复合负极兼具高容量与循环稳定性，已在锂电池产业实现商业化应用。Si/C材料将硅的高储锂性能与碳基体的优异机械强度和导电性相结合，在一定程度上缓解了体积变化并提升了界面锂离子传导。
然而，嵌锂过程中固有的局部体积膨胀仍会引起不利的应力集中；循环中的应力累积导致颗粒粉化、接触失效以及固态电解质界面（SEI）无序生长，进而过度消耗电解液并最终造成容量衰减，限制了Si/C负极对传统石墨负极的替代。
要充分发挥硅基负极在高能锂电池中的潜力，必须解决上述难题。尽管聚合物粘结剂在电极中占比很小，却通过将活性材料和导电添加剂粘附到集流体上，在维持结构完整性方面发挥关键作用。粘结剂通过氢键与硅表面结合，依靠大分子骨架的构象调整与长程滑移来容纳硅体积膨胀带来的应力。
为在反复体积变化中保持粘结剂网络和电极结构的完整，目前普遍采用引入可耗散机械能的超分子结构——如多重氢键、主-客体相互作用、聚轮烷等——这些动态作用可有效缓解局部应力并稳定SEI，从而延长硅负极循环寿命。除机械增强外，聚合物粘结剂还影响电解液-负极界面的离子传输；传输效率低会引入界面能垒和不良浓度梯度。为此，研究者通过掺入导电聚合物、碳纳米管或含氧官能团等策略来提升界面离子传输与倍率性能。
从制造角度看，传统合成粘结剂需使用NMP、DMF等有机溶剂，带来环境、安全及成本问题；开发可水系加工的聚合物粘结剂对实现绿色、经济的电极制备至关重要。然而，现有水系粘结剂（如CMC、PAA、多糖等）因线性链滑移导致机械强度不足，难以维持电极结构。
虽可通过接枝、交联或后修饰提高机械稳定性，但若缺乏高效离子传输通道，仍会造成锂离子合金化/去合金化不均、SEI不稳定，最终容量衰减甚至电极失效。因此，实现Si/C负极长寿命亟需同时兼顾“有效耗散机械应力”与“促进锂离子扩散”的水系聚合物粘结体系，而目前少有研究将这两种功能集成于单一粘结剂设计。
本工作提出一种可水系加工的“共价-超分子”聚合物粘结剂（CSPBs），通过协同耗散机械应力与促进界面离子传输来提升Si/C负极循环稳定性。该三元体系由聚丙烯酸（PAA）、氨基封端八臂聚乙二醇（8arm-PEG-NH2）以及苯并-21-冠-7/二级铵盐主-客体复合物组成，在电极干燥过程中通过缩合反应原位形成。
共价交联赋予网络高刚性及强粘附，动态主-客体作用则作为可逆“牺牲键”在硅体积膨胀时耗散应力；富氧PEG链提供连续Li+传导通道，实现高效界面离子传导。采用CSPB-2的Si/C负极在1C下循环265圈后仍保持582.0 mAh g-1的高比容量，倍率性能优于纯PAA或仅共价交联的粘结剂。
GITT与CV动力学分析表明Li+扩散系数显著提高，证实该粘结体系离子导电性优越。本研究提供了一种在绿色、水系聚合物框架内集成“共价锚定”与“动态超分子可逆性”的普适设计概念，为推进高能量密度硅基负极的实际应用开辟了新路径。
图1：a)乙酰乙酸酯修饰的苯并-21-冠-7（B21C7）轮、基于二级铵盐的轴以及胺基封端的八臂PEG之间发生缩合反应，生成水溶性的PEG–超分子基元；该基元再与水溶性PAA共同构成一种可水相加工的三元粘结剂体系。b)示意图展示了采用共价-超分子聚合物粘结剂（CSPBs）制备Si/C负极的过程，以及其在界面稳定与Li+传输促进方面的协同效应。图2：a)8臂-PEG-NH2与所得PEG–超分子复合物的堆叠1H NMR谱图（400MHz，D2O，25°C），以及它们在去离子水中相应溶液的照片。b)[2]准轮烷、8臂-PEG-NH2和PEG–超分子复合物的傅里叶变换红外（FTIR）光谱，显示乙酰乙酸酯基团被消耗并形成了乙烯基脲键。c)PAA、CSPB与PEG–超分子复合物的FTIR光谱对比，证实了作为共价交联位点的酰胺键的形成。图3：a)CSPB-1、CSPB-2、CSPB-3、CCB和PAA的应力–应变曲线。b)CSPB-1、CSPB-2、CSPB-3、CCB与PAA的杨氏模量和韧性对比。c)在2.5 s-1应变速率下，CSPB-2与CCB的应变率–频率叠加（SRFS）分析得到的粘性耗散能（Ws）。d)室温下，CSPB-2在逐步增大的最大应变条件下的循环拉伸曲线。e)循环拉伸测试中，每一圈的滞后面积及其阻尼容量（耗散能与总输入能之比）。f)CSPB-2在250%应变、不同静置间隔下的循环拉伸曲线。图4：a)使用CSPB-2、CCB和PAA粘结剂的Si/C半电池在0.1C下的首次充放电曲线。b)不同粘结剂（CSPB-2、CCB、PAA）的Si/C半电池倍率性能。c)CSPB-2–Si/C、CCB–Si/C与PAA–Si/C电极在嵌锂和脱锂过程中的Li+扩散系数。d)0.1C与e)1C下三种电极的长期循环性能。f)CSPB-2–Si/C电极在不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。g)CSPB-2–Si/C与PAA–Si/C在还原和氧化过程中的表观Li+扩散系数对比。h)PAA–Si/C与CSPB-2–Si/C电极在不同循环次数下的电化学阻抗谱（EIS）。图5：PAA、CCB 与CSPB-2在初始状态及不同循环次数后的横截面SEM图像。本研究首创“可水系加工共价–超分子聚合物粘结剂（CSPBs）”，在电极干燥过程中原位构筑PAA-PEG-冠醚/铵盐主-客体三元网络，实现机械应力耗散与Li+传输的协同强化。所得CSPB-2粘结剂断裂伸长443%、阻尼容量>90%、15 min内完全自修复，使Si/C负极在1C循环265圈后仍保持582mAh g-1高容量，膨胀率仅16.6%，倍率与热稳定性均优于现有商业及文献粘结体系。该策略为绿色水系涂布引入动态“牺牲键”与连续离子通道，提供兼顾高能量密度、长寿命与安全生产的普适设计范式，可直接用于硅基、锡基等高膨胀合金负极的规模化制造，并拓展至柔性储能、固态电池等下一代储能体系。Water-Processable Covalent-and-Supramolecular Polymeric Binders for Silicon/Carbon Anodes with High Interfacial Stability in Lithium-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., 2026. https://doi.org/10.1002/anie.202525354.
