I. خصوصیات و مزایای اتصال دهنده های پلی آکریل (PAA)
حداقل تورم در حلال های الکترولیت: تورم کم ، حفظ یکپارچگی ساختاری ورق های الکترود در طول چرخه بار/تخلیه.
نسبت بالایی از گروههای کربوکسیل: چگالی بالای گروههای کربوکسیل قطبی پیوندهای هیدروژن قوی با مواد فعال حاوی هیدروکسیل را تشکیل می دهد و باعث افزایش پایداری پراکندگی می شود.
شکل گیری مداوم فیلم: یک فیلم یکنواخت در سطوح مواد ایجاد می کند و باعث بهبود تماس بین مواد فعال و جمع کننده های فعلی می شود.
ثبات مکانیکی عالی: سهولت پردازش در هنگام تولید الکترود را تسهیل می کند.
شکل گیری و عملکرد دوچرخه سواری افزایش یافته: غلظت بالای گروههای عملکردی قطبی باعث پیوند هیدروژن با سطوح مواد سیلیکون می شود و در تشکیل یک لایه interphase الکترولیت جامد پایدار (SEI) کمک می کند و منجر به عمر چرخه برتر می شود.
ii. چالش های توسعه
سیستم های اتصال دهنده PAA (اسید پلی آکریلیک) معمولی برای الکترودها به طور معمول از پلیمرهای PAA متقاطع به عنوان اتصال دهنده آند استفاده می کنند. به عنوان یک پلیمر با وزن مولکولی بالا ، PAA چسبندگی ، ثبات پراکندگی و مهار خوردگی را ارائه می دهد. این ساختار شبکه را در دوغاب آند تثبیت می کند ، پراکندگی یکنواخت مواد فعال را تضمین می کند و طول عمر الکترود را گسترش می دهد.
با این حال ، گروه های عملکردی قطبی پیوند هیدروژن را در زنجیره های مولکولی طولانی PAA تسهیل می کنند. این باعث می شود چرخش آزاد زنجیرها و افزایش استحکام آنها باشد. در نتیجه ، ورق های الکترود مبتنی بر PAA به طور کلی سختی ضعیفی را نشان می دهند. این توانایی آنها را در برابر مقاومت در برابر فشارهای ناشی از گسترش حجم مواد فعال در طول دوچرخه سواری به خطر می اندازد ، مانع از فرآیندهای سیم پیچ سلول می شود و در نهایت بهبود عملکرد الکتروشیمیایی باتری را محدود می کند.
iii شیوه های تحقیقاتی در برنامه های عملی PAA درجه باتری
1. باتری سدیم یون آندهای کربن سخت
تولید کنندگان آنگاههای کربن سخت برای باتری های یون سدیم (SIB) نیازهای دقیق را به اتصال دهنده های PAA تحمیل می کنند. یک اتصال دهنده PAA با کیفیت بالا و بسیار انعطاف پذیر برای محافظت از یکپارچگی ساختاری آنگاههای کربن سخت بسیار مهم است.
در بازار فعلی آند کربن سخت SIB ، با استفاده از اتصال دهنده های PAA عادی ، خطر افزایش مقاومت داخلی را افزایش می دهد و بر کارایی و قابلیت اطمینان باتری تأثیر منفی می گذارد. برعکس ، یک اتصال PAA حق بیمه ، بسیار انعطاف پذیر به طور موثری این مسائل را کاهش می دهد.
عملکرد الکتروشیمیایی ، هدایت ، سازگاری با محیط زیست و مقاومت در برابر خوردگی اتصال دهنده PAA نیز عوامل مهمی است که مستقیماً بر کیفیت محصول آند کربن سخت نهایی تأثیر می گذارد.
فراتر از خصوصیات ذاتی ، کاربرد عملی به شدت روی پارامترهای عملکرد مانند خصوصیات اتصال دهنده ، محتوای جامد ، قدرت چسبندگی و سطح pH تمرکز دارد. این پارامترها به طور مستقیم با راندمان عملیاتی آند کربن سخت ارتباط دارند.
2. آندهای مبتنی بر سیلیکون
آنده های باتری لیتیوم یون مبتنی بر سیلیکون ، ظرفیت خاصی را به میزان بزرگی بالاتر از گرافیت معمولی ارائه می دهند. با این حال ، تشکیل آندهای پایدار سیلیکون به دلیل تغییرات حجم قابل توجهی در طول آلیاژ الکتروشیمیایی/معامله سیلیکون با لیتیوم چالش برانگیز است. انتخاب و بهینه سازی چسب برای بهبود پایداری آند سیلیکون بسیار مهم است. بیشتر تحقیقات از اتصال دهنده های کربوکسی متیل سلولز (CMC) و فلوراید پلی وینیلیدن (PVDF) استفاده می کنند.
بدنه قابل توجهی از تحقیقات تجربی نشان می دهد که PAA خالص دارای خواص مکانیکی قابل مقایسه با CMC است اما حاوی غلظت بالاتری از گروههای عملکردی کربوکسیل است. این امر PAA را قادر می سازد تا به عنوان یک اتصال دهنده برای آنهایی SI عمل کند و عملکرد برتر را ارائه دهد.
تحقیقات بیشتر تأثیر مثبت پوشش کربن بر ثبات آند را نشان می دهد. آنونهای نانوذرات Si با روکش کربن (بین 1 {1}}. 01 و 1 ولت در مقابل لی/لی+) آزمایش شده است ، که شامل PAA در سطوح کم 15 درصد وزنی است ، در 100 چرخه اول ثبات استثنایی را نشان می دهد. این یافته ها راه های جدیدی را برای کاوش در مورد اتصال دهنده های جدید مانند سری پلی وینیل الکل (PVA) باز می کند.
Crosslinking PAA با سایر مواد نشان دهنده یک جهت توسعه جدید است ، از جمله اتصال دهنده های متقاطع AA-CMC ، اتصال دهنده های متقاطع PAA-PVA ، اتصال دهنده های متصل به PAA-PANI (Polyaniline) و اتصال دهنده های EDTA-PAA.
3. PVA-G-PAA (PVA-Grafted-PAA)
یک اتصال دهنده محلول در آب جدید ، PVA-G-PAA ، با پیوند PAA بر روی زنجیره های جانبی PVA بسیار انعطاف پذیر (الکل پلی وینیل) سنتز می شود. این اصلاح گروه عملکردی باعث افزایش انعطاف پذیری سیستم اتصال دهنده PAA در حالی که از خصوصیات چسبندگی عالی PVA استفاده می شود.
این پلیمریزاسیون پیوند رادیکال آزاد ، ارتجاعی را معرفی می کند و محدودیت های ساختاری اتصال دهنده های PAA خالص را جبران می کند.
در حین ساخت ورق الکترود ، تراکم نورد به طور مداوم با استفاده از فشارهای مختلف غلتکی در بخش های طول مشخص ورق انجام می شود. این فرآیند باعث افزایش مقاومت ورق ، به حداقل رساندن تغییر شکل ، افزایش ظرفیت خاص الکترود ، بهبود قابلیت سرعت و افزایش عمر چرخه باتری می شود.
4. PAA Prelithiation (LIPAA)
استفاده از مواد سیلیکون-کربن (SI-C) تقاضای بیشتری را به سیستم های چسبنده آند و عامل رسانا تحمیل می کند. اتصال دهنده های سنتی PVDF سنتی برای آنهای SI نامناسب هستند. اتصال دهنده های PAA اکریلیک حاوی گروه های کربوکسیل متعدد هستند که قادر به ایجاد پیوندهای هیدروژن با گروه های عملکردی در سطوح SI ، ترویج تشکیل SEI و بهبود چشمگیر عمر چرخه آنانهای SI هستند. بنابراین ، اتصال دهنده های PAA برای آندهای Si بسیار مؤثر هستند.
مطالعات نشان می دهد که لیتیوم پلی آکریلات (LIPAA) از خود PAA بهتر است ، اگرچه دلایل اساسی نامشخص بود. تحقیقات گسترده ای برای روشن شدن مکانیسم عملکرد برتر LIPAA انجام شده است.
الکترودهای متشکل از 15 ٪ نانو Si ، 73 ٪ گرافیت مصنوعی ، 2 ٪ کربن سیاه و 10 ٪ چسب (یا PAA یا LIPAA) مورد بررسی قرار گرفتند. پس از خشک شدن اولیه ، یک مرحله خشک کردن ثانویه در درجه {5}}} انجام شد تا رطوبت باقیمانده به طور کامل از بین برود. آزمایش سلول سکه ظرفیت های 790 میلی آمپر ساعت در گرم برای آندهای مبتنی بر لیپا در مقابل 610 میلی آمپر ساعت در گرم برای آنهایی مبتنی بر PAA را نشان داد.
منحنی عملکرد چرخه سلولهای کامل با استفاده از کاتدهای NMC532
شکل A: سلولهای دارای اتصال LIPAA ارتباط معنی داری بین عملکرد چرخه و دمای خشک کردن ثانویه نشان نمی دهند. کاتد NMC532 ظرفیت اولیه 127 میلی آمپر ساعت در گرم در C/3 را تحویل داد و پس از 90 چرخه به 91 میلی آمپر ساعت در گرم کاهش یافت.
شکل B: سلولهای دارای چسب PAA وابستگی روشنی به دمای خشک کردن ثانویه (120 درجه قرمز ، طلای 140 درجه ، 160 درجه سبز ، آبی 180 درجه) دارند. در حالی که سلول PAA خشک 160 درجه بیشترین ظرفیت اولیه را نشان داد و سلول خشک 120 درجه پایین ترین سطح ، سلول خشک 160 درجه سریع تخریب شد و پس از 90 چرخه به 62 پوند در گرم رسید. سلول خشک 140 درجه آهسته تر تخریب شده و 71 میلی آمپر ساعت در گرم نگه داشته می شود.
راندمان کولومبیک چرخه اول (CE): سلولهای LIPAA 84 ~ به دست آوردند (فقط سلول LIPAA 200 درجه در 82 ~ کمی پایین تر بود). راندمان کولومبیک آنها به سرعت در 5 چرخه اول به 99.6 ~ افزایش یافت. سلولهای PAA 80 ٪ CE چرخه اول به دست آوردند (تنها سلول PAA 180 درجه در 75 ٪ پوند به طور قابل توجهی پایین تر بود) ، نیاز به 40 چرخه پوند برای رسیدن به 99.6 ٪ CE-به طور قابل توجهی کندتر از سلول های LIPAA.
آزمایش تخلیه پالس در 50 ٪ عمق تخلیه (DOD) مقاومت داخلی به طور قابل توجهی پایین تر در سلولهای LIPAA را در مقایسه با سلولهای PAA نشان داد [شکل زیر ذکر شده در زیر] ، بدون پیوند آشکار به دمای خشک کردن ثانویه برای LIPAA. در مقابل ، مقاومت سلول PAA با دمای خشک کردن ثانویه بالاتر به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است.
تجزیه و تحلیل حرارتی (TGA) توسط Kevin A. Hays [شکل ارجاع شده در زیر] در آنانهای LIPAA و PAA دو مرحله کم آبی بدن را مشخص کرد: 1) حذف آب رایگان (40 درجه) ، 2) حذف آب جاذب (LIPAA 75 درجه ، PAA 125 درجه). قله های کاهش وزن اضافی برای PAA بین درجه 5}}}} و LIPAA بین درجه {6}}} ، که به پلیمریزاسیون برخی از گروه های کربوکسیل که آب آزاد می کنند [واکنش ارجاع شده در زیر] رخ داده است. این واکنش در LIPAA ، جایی که LI در 80 ~ از گروه های کربوکسیل جایگزین H می شود ، کمتر برجسته می شود.
پلیمریزاسیون دمای بالا از گروههای کربوکسیل PAA ممکن است تعامل بین PAA و SI را تضعیف کند ، به طور بالقوه عملکرد چرخه ضعیف آندهای PAA خشک با دمای بالا را توضیح می دهد. با این حال ، تست های قدرت پوست نشان داد که در حالی که چسبندگی PAA با دمای خشک کردن بالاتر کاهش می یابد ، نسبت به LIPAA به طور کلی بالاتر است ، نشان می دهد که عوامل دیگر در دوچرخه سواری برتر LIPAA نقش دارند.
ⅳ پایان
این مطالعه ثبات الکتروشیمیایی ضعیف را به عنوان یک عامل اصلی محدود کننده عملکرد چرخه PAA مشخص می کند. در پتانسیل های پایین ، PAA تحت تبدیل جزئی بهلای، تولید گاز هیدروژن:
PAA + ... ->Lipaa + H₂
این واکنش CE چرخه اول سلولهای PAA (80 ٪ پوند) را در مقایسه با سلولهای LIPAA (84 ٪ پوند) و زمان قابل توجهی طولانی تر (40 چرخه در مقابل در مقابل توضیح می دهد.<5 cycles) required for PAA cells to achieve high Coulombic efficiency (99.6%).
انرژی جدید توب- شریک حرفه ای شما درمواد باتری، تجهیزات و راه حل های خط تولید.
