中科院成都有机化学研究所的研究者报告了一种无害且简单的方法来应对锂离子电池硅负极大规模应用的挑战，以水溶性聚合物羧甲基壳聚糖和纳米硅为前驱体，采用一步喷雾干燥法制备了多尺寸三维微球硅负极材料。该负极材料保留了聚合物的有效官能团、粘弹性和亲水性，可防止纳米粒子团聚，增强二次颗粒的内部结合力，缓冲硅的体积膨胀，促进形成稳定的固态电解质界面膜，并保持电极结构完整性，因此材料具有良好的循环稳定性、优异的倍率性能和较高的初始库仑效率。相关成果以“Water-Soluble Polymer Assists Multisize Three-Dimensional Microspheres as a High-Performance Si Anode for Lithium-Ion Batteries”发表在ACS Applied Energy Materials上。

硅作为锂离子电池行业下一代负极材料中石墨的最佳替代品，在其实际应用中面临着一个挑战：由于合金化的嵌锂机制，硅的体积膨胀和应力巨大，导致硅颗粒粉碎并从电极上脱落。目前，已经证明纳米级的硅颗粒（≤150nm）在体积膨胀过程中几乎不会粉碎，因此，一些研究人员专注于尺寸设计，如纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米薄膜，而另一些研究人员则结合导电材料和高容量的硅负极专注于结构设计，如多孔结构、中空结构和核壳结构。然而，也引发了一些问题：（1）比表面积大，纳米硅团聚，（2）工艺复杂、成本高、难以规模化。

通过喷雾干燥技术获得的三维微球硅负极材料，可以将硅纳米颗粒造粒形成二次颗粒，该材料保留了纳米颗粒的优点，也减少了比表面积和副反应，并且多粒度分布可以提高电极的致密性。这种简便的方法更适合于商业应用。为了进一步提高3D微球的性能，几乎所有的研究都添加了碳源与硅颗粒混合，以获得碳化硅基材料，显然，高温煅烧是上述过程中的必要步骤。但在热处理过程中，基团之间的键合消失，二次颗粒中仅存在碳骨架，导致纳米硅颗粒内部连接较弱。

水溶性聚合物羧甲基壳聚糖（CMCS）是一种两性壳聚糖衍生物，由于其丰富的官能团，可以提高化合物的力学性能。CMCS由于其优异的黏附能力和丰富的原材料储备，已被证明是硅负极的优良粘结剂，此外，它的含氧基团和含氮基团可以提高SEI薄膜的稳定性，并作为硅表面的涂层控制Li+均匀的传输。

在本工作中，作者通过一步喷雾干燥法制备了无需热处理的含有纳米硅和水溶性聚合物羧甲基壳聚糖的多尺寸3D微球硅负极材料。该负极材料保留了聚合物的特性，并有以下优点：（1）这些官能团有效地促进了纳米硅颗粒在水中的分散，并在循环过程中形成稳定的SEI膜；（2）粘性不仅改善了材料内部连通性和外部密度，以保持二次颗粒的完整结构，而且还缓冲了硅的体积膨胀；（3）在电极制备过程中亲水的阳离子聚合物羧甲基壳聚糖与阴离子水系粘结剂具有协同效应，以增强电极的完整性。含有羧甲基壳聚糖的3D微球具有稳定的结构、致密的表面以及与集流体紧密连接，从而通过简便、无害和可规模化的方法提高材料初始库仑效率、增强循环稳定性和倍率性能。总之，作者提出了一种非常规方法来制备含有纳米硅颗粒和水溶性聚合物羧甲基壳聚糖的多尺寸3D微球，喷雾干燥增强了羧甲基壳聚糖与硅的结合力，且仍保持了聚合物的性能。与用作碳材料相比，该聚合物增强了二次颗粒的内部互连，促进了锂离子的传输；与用作粘合剂相比，该方法增强了内部和外部粘结力，防止了纳米颗粒团聚，并缓冲了材料体积膨胀，此外，它与水系粘合剂具有协同效应。因此，SD-Si/CMCS材料的首次库伦效率高达80%，循环100周后可逆容量为1484mAh/g，容量保持率为75%；在电流密度4A/g下，其容量仍有871mAh/g。这种无害、节能、简便的方法在硅基负极大规模应用方面具有显著优势。