I. Egenskaper och fördelar med POLYACRYLATE (PAA) bindemedel
Minimal svullnad i elektrolytlösningsmedel: uppvisar låg svullnad och upprätthåller strukturell integritet hos elektrodark under laddnings-\/urladdningscykler.
Hög andel karboxylgrupper: Den höga tätheten av polära karboxylgrupper bildar starka vätebindningar med hydroxylinnehållande aktiva material, vilket förbättrar spridningsstabiliteten.
Kontinuerlig filmbildning: Skapar en enhetlig film på materiella ytor som förbättrar kontakten mellan aktiva material och nuvarande samlare.
Utmärkt mekanisk stabilitet: Underlättar enkel bearbetning under elektrodtillverkning.
Förbättrad SEI -bildning och cykelprestanda: Den höga koncentrationen av polära funktionella grupper främjar vätebindning med kiselmaterialytor och AIDS för att bilda ett stabilt fast elektrolytinterfasskikt (SEI), vilket resulterar i överlägsen cykelliv.
Ii. Utvecklingsutmaningar
Konventionella PAA (polyakrylsyra) bindemedel för elektroder använder vanligtvis tvärbundna PAA-polymerer som anodbindemedel. Som en polymer med hög molekylvikt erbjuder PAA utmärkt vidhäftning, dispersionstabilitet och korrosionsinhibering. Den stabiliserar nätverksstrukturen i anoduppslamningen, säkerställer enhetlig spridning av aktiva material och förlänger livslängd för elektrodark.
De polära funktionella grupperna underlättar emellertid vätebindning inom de långa molekylkedjorna i PAA. Detta begränsar fri rotation av kedjorna, vilket ökar deras styvhet. Följaktligen uppvisar PAA-baserade elektrodark i allmänhet dålig seghet. Detta komprometterar deras förmåga att motstå spänningar inducerade av volymutvidgningen av aktiva material under cykling, hindrar celllindningsprocesser och begränsar i slutändan förbättringar i batteriets elektrokemiska prestanda.
Iii. Forskningspraxis i praktiska tillämpningar av Battery-klass PAA
1. Natriumjonbatteri hårda kolanoder
Tillverkare av hårda kolanoder för natriumjonbatterier (SIBS) ställer stränga krav på PAA-bindemedel. Ett högkvalitativt, mycket flexibelt PAA-bindemedel är avgörande för att skydda den strukturella integriteten hos hårda kolanoder.
På den nuvarande SIB -hårda kolanodmarknaden, med användning av undermåliga PAA -bindemedel ökar avsevärt risken för förhöjd internt motstånd, vilket negativt påverkar batterieffektiviteten och tillförlitligheten. Omvänt minskar ett premium, mycket flexibelt PAA -bindemedel effektivt dessa frågor.
Den elektrokemiska prestanda, konduktivitet, miljöanpassningsbarhet och korrosionsmotstånd för det flexibla PAA -bindemedlet är också kritiska faktorer, vilket direkt påverkar kvaliteten på den slutliga hårda kolanodprodukten.
Utöver inneboende egenskaper fokuserar praktisk tillämpning starkt på prestandaparametrar såsom bindemedelsegenskaper, fast innehåll, vidhäftningsstyrka och pH -nivå. Dessa parametrar korrelerar direkt med den operativa effektiviteten för den hårda kolanoden.
2. Kiselbaserade anoder
Kiselbaserade litiumjonbatterianoder erbjuder en specifik kapacitet en storleksordning högre än konventionell grafit. Att bilda stabila kiselanoder är emellertid utmanande på grund av betydande volymförändringar under den elektrokemiska legeringen\/överlåtelsen av kisel med litium. Val av bindemedel och optimering är avgörande för att förbättra kiselanodstabiliteten. De flesta forskning använder karboximetylcellulosa (CMC) och polyvinylidenfluorid (PVDF) bindemedel.
En betydande mängd experimentell forskning indikerar att ren PAA har mekaniska egenskaper som är jämförbara med CMC men innehåller en högre koncentration av karboxylfunktionella grupper. Detta gör det möjligt för PAA att fungera som ett bindemedel för Si -anoder och leverera överlägsen prestanda.
Forskning visar vidare den positiva effekten av kolbeläggning på anodstabiliteten. Kolbelagda Si-nanopowder-anoder (testade mellan 0. 01 och 1 V mot Li\/Li+), med PAA vid nivåer så låga som 15 viktprocent, uppvisar exceptionell stabilitet under de första 100 cyklerna. Dessa fynd öppnar nya vägar för att utforska nya bindemedel som Polyvinyl Alcohol (PVA) -serien.
Tvärbindning PAA med andra material representerar en ny utvecklingsriktning, inklusive AA-CMC tvärbundna bindemedel, PAA-PVA tvärbundna bindemedel, PAA-PANI (polyanilin) tvärbindade bindemedel och EDTA-PAA-bindemedel.
3. PVA-G-PAA (PVA-Grafted-PAA)
Ett nytt vattenlösligt bindemedel, PVA-G-PAA, syntetiseras genom ympning av PAA på sidokedjorna av mycket flexibel PVA (polyvinylalkohol). Denna funktionella gruppmodifiering förbättrar flexibiliteten i PAA -bindemedelssystemet medan han utnyttjar PVA: s utmärkta vidhäftningsegenskaper.
Denna fria-radikala ympningspolymerisation introducerar elasticitet och kompenserar för de strukturella begränsningarna för rena PAA-bindemedel.
Under tillverkning av elektrodark utförs rullande komprimering kontinuerligt med hjälp av varierande rulltryck över definierade längdsegment i arket. Denna process förbättrar arksugnheten, minimerar deformation, ökar elektrodspecifik kapacitet, förbättrar hastighetsförmågan och förlänger batterycykellivslängden.
4. PAA -prelitiering (LIPAA)
Tillämpningen av SI-C-material (SI-C) ställer högre krav på anodbindemedel och ledande agentsystem. Traditionella styva PVDF -bindemedel är olämpliga för Si -anoder. Akryl PAA -bindemedel innehåller många karboxylgrupper som kan bilda vätebindningar med funktionella grupper på Si -ytor, främja SEI -bildning och avsevärt förbättra cykellivslängden för Si -anoder. Således är PAA -bindemedel mycket effektiva för Si -anoder.
Studier indikerar att litiumpolyakrylat (LIPAAA) överträffar PAA själv, även om de underliggande orsakerna var oklara. Omfattande forskning har genomförts för att belysa mekanismen bakom LIPAA: s överlägsna prestanda.
Elektroder som består av 15% nano-Si, 73% konstgjord grafit, 2% kolsvart och 10% bindemedel (antingen PAA eller LIPAA) studerades. Efter initial torkning utfördes ett sekundärt torkningssteg vid 100-200 graden för att avlägsna återstående fukt helt. Myntcellstest avslöjade kapacitet på ~ 790 mAh\/g för LIPAA-baserade anoder kontra ~ 610 mAh\/g för PAA-baserade anoder.
Cykelprestationskurvor för fullständiga celler som använder NMC532 -katoder
Figur A: Celler med LIPAA -bindemedel visar ingen signifikant korrelation mellan cykelprestanda och sekundär torkningstemperatur. NMC532 -katoden levererade en initial kapacitet på 127 mAh\/g vid C\/3 och minskade till ~ 91 mAh\/g efter 90 cykler.
Figur B: Celler med PAA -bindemedel uppvisar ett tydligt beroende av sekundär torktemperatur (120 graders röd, 140 graders guld, 160 graders grön, 180 graders blå). Medan den 160 graders torkade PAA -cellen visade den högsta initiala kapaciteten och den 120 graders torkade cellen den lägsta, försämrade den 160 graders torkade cellen snabbast och nådde ~ 62 mAh\/g efter 90 cykler. Den 140 graders torkade cellen nedbrutna långsammare och bibehåller ~ 71 mAh\/g.
Första cykeln Coulombic Efficiency (CE): LIPAA-celler uppnådde ~ 84% (endast 200 graders LIPAA-cell var något lägre vid ~ 82%). Deras Coulombic -effektivitet ökade snabbt till ~ 99,6% inom de första 5 cyklerna. PAA-celler uppnådde ~ 80% första cykel CE (endast 180 graders PAA-cell var signifikant lägre vid ~ 75%), vilket krävde ~ 40 cykler att nå 99,6% CE-markant långsammare än LIPAA-celler.
Pulsavladdningstester med 50% urladdningsdjup (DOD) avslöjade signifikant lägre inre resistens i LIPAA -celler jämfört med PAA -celler [refererade till figur nedan], utan någon uppenbar koppling till sekundär torktemperatur för LIPAA. Däremot ökade PAA -cellresistensen märkbart med högre torktemperaturer.
Termogravimetrisk analys (TGA) av Kevin A. Hays [refererade till figur nedan] på LIPAA- och PAA -anoder identifierade två huvudsakliga dehydratiseringssteg: 1) fritt vattenborttagning (~ 40 grader), 2) adsorberat vattenborttagning (LIPAA ~ 75 grader, PAA ~ 125 grader). Ytterligare viktminskningstoppar inträffade för PAA mellan 140-208 examen och LIPAA mellan 85-190 -graden, tillskrivs polymerisation av vissa karboxylgrupper som frisätter vatten [refererad reaktion nedan]. Denna reaktion är mindre uttalad i LIPAA, där Li ersätter H i ~ 80% av karboxylgrupper.
Högtemperaturpolymerisation av PAA-karboxylgrupper kan försvaga interaktionen mellan PAA och SI, vilket potentiellt förklarar den dåliga cykelprestanda för högtemperaturtorkade PAA-anoder. Emellertid visade skalstyrkestester att medan PAA -vidhäftning minskade med högre torkningstemperaturer, förblev det högre än LIPAA totalt sett, vilket tyder på att andra faktorer bidrog till LIPAA: s överlägsna cykling.
Ⅳ. Slutsats
Denna studie identifierar dålig elektrokemisk stabilitet som en nyckelfaktor som begränsar PAA: s cykelprestanda. Vid låga potentialer genomgår PAA partiell omvandling tillLipaa, generera vätgas:
PAA + ... ->Lipaa + h₂
Denna reaktion förklarar den lägre första cykeln CE för PAA-celler (~ 80%) jämfört med LIPAA-celler (~ 84%) och den signifikant längre tiden (~ 40 cykler Vs.<5 cycles) required for PAA cells to achieve high Coulombic efficiency (99.6%).
Tob ny energi- Din professionella partner iBatterimaterial, Utrustning och produktionslinjelösningar.
