تأثیر غلظت NMP بر عملکرد باتری LFP

فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)مواد الکترود کاتددوغاب مبتنی بر روغن معمولا استفاده می شودN-متیل پیرولیدون (NMP)، دی متیل سولفوکسید و دی متیل فرمامید به عنوان حلال که دارای مشکلاتی مانند بازیابی مشکل حلال، استفاده زیاد و آلودگی محیطی هستند. دوغاب مبتنی بر آب مواد الکترود مثبت LiFePO4 از آب دیونیزه به عنوان حلال استفاده می کند که سازگار با محیط زیست و کم هزینه است، اما ورق الکترود مثبت بایندر مبتنی بر آب دارای مشکلاتی مانند انعطاف پذیری ضعیف، چسبندگی ضعیف مواد فعال و عملکرد الکتروشیمیایی ضعیف است. در این مقاله، ورق های الکترود مثبت با مقادیر اضافه NMP مختلف برای بررسی اثر NMP بر عملکرد ورق های الکترود مثبت تهیه شده بابایندر پایه آب LA132.

آزمایش کنید

بایندر آبی LA132، کربن سیاه ابررسانا، آب دیونیزه و LiFePO4 به دوغاب با نسبت جرمی 2.5:2.5:50:40 تهیه شد. چهار قسمت از دوغاب با 0، 1، 2% و 3% NMP، با شماره A، B، C و D اضافه شد. کلندینگ الکترود مثبت. خشک کردن الکترود مثبت در دمای 100 درجه در خلاء به مدت 24 ساعت برای حذف آب و NMP و الکترود مثبت با محتوای ماده فعال 95 درصد تهیه شد. آن را به دیسک هایی با قطر 20 میلی متر برش دهید. سلول سکه ای CR2016 را با الکترود منفی ورقه فلزی لیتیوم، الکترولیت 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (نسبت حجمی 1:1:1)، جداکننده پلی پروپیلن میکرومتخلخل، در جعبه دستکش پر از گاز آرگون خشک مونتاژ کنید.

ابتدا ورق های الکترود A، B، C و D را 180 درجه خم کنید و سپس چسبندگی ورق های الکترود را روی دستگاه تست کشش آزمایش کنید. سپس تست چقرمگی را روی ورق های الکترود روی چقرمگی سنج انجام دهید (قطر میله های شفت به ترتیب 1، 2، 3، 4، 6، 8 و 10 میلی متر است) و مشاهده کنید که آیا ترک هایی روی سطح وجود دارد یا خیر. ورق های الکترود پس از سیم پیچی چگالی جریان تست شارژ و دشارژ باتری 0.1 درجه سانتیگراد و ولتاژ تست 2.5 تا 3.5 ولت است.

نتایج و بحث

شکل 1 یک نمودار آزمایشی از چسبندگی الکترود LiFePO4 در خمش 180 درجه است. از شکل 1 می توان دریافت که چسبندگی الکترود به دلیل افزودن NMP به طور قابل توجهی بهبود یافته است و بهبود چسبندگی الکترود متناسب با مقدار NMP اضافه شده است. چسبندگی نوعی نیروی واندروالسی است که به برهمکنش بین مولکول ها بستگی دارد.

در طی فرآیند تولید ورق های الکترود LiFePO4، ورق های الکترود به ناچار با اکسیژن هوا در تماس خواهند بود. در طول فرآیند گرمایش، صفحات الکترود گرم شده با اکسیژن واکنش داده و گروه های اسیدی تشکیل می دهند. گروه های اسیدی فاقد الکترون هستند و پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی ضعیفی با (-CN) در بایندر آبی تشکیل می دهند. تیکسوتروپی دوغاب را تغییر می دهد، سیالیت را کاهش می دهد و باعث ایجاد پوشش ناهموار دوغاب می شود. پس از افزودن NMP، گروه های اسیدی روی صفحات الکترود را خنثی می کند. می تواند اتلاف الکترون ها را در سطح ورق های الکترود کاهش دهد، از تیکسوتروپی دوغاب جلوگیری کند و چسبندگی بین بایندر و کلکتور جریان را افزایش دهد. دوغاب الکترود مثبت به طور مساوی پراکنده می شود و سیالیت بهبود می یابد، در نتیجه میزان استفاده از دوغاب و ورق های الکترود بهبود می یابد. بنابراین، افزودن حلال غنی از الکترون NMP می تواند عملکرد باتری را بهبود بخشد.

جدول 1 نتایج تست انعطاف پذیری چهار نوع ورق الکترود را نشان می دهد. با مشاهده شکل 1، می توان دریافت که ترک های سطحی زمانی ظاهر می شوند که سوزن سیم پیچ با قطر 6 میلی متر الکترود مثبت A را آزمایش می کند، و هنگامی که سوزن سیم پیچ با قطر 1 میلی متر آزمایش می شود، الکترودهای B~D ترک های سطحی ندارند. مشاهده می شود که ضعیف ترین انعطاف پذیری ورق الکترود مثبت مبتنی بر آب خالص است که در حین آماده سازی مستعد ترک، شکستگی و پارگی است. افزودن NMP می‌تواند انعطاف‌پذیری ورق الکترود را بهبود بخشد و میزان استفاده از ورق الکترود را افزایش دهد. ذرات لاتکس موجود در بایندر LA132 پلیمرهای قطبی قوی با نیروهای بین مولکولی قوی و قابلیت پیچش ضعیف هستند و ورق الکترود به راحتی شکسته می شود. با افزودن NMP، قطر ذرات لاتکس در بایندر LA132 افزایش می‌یابد، توانایی چرخش افزایش می‌یابد، توانایی چرخش زنجیره مولکولی کاهش می‌یابد و انعطاف‌پذیری ورق الکترود افزایش می‌یابد.

جدول 2 نتایج تست عملکرد الکتروشیمیایی ورق الکترود را نشان می دهد. مقادیر ظرفیت ویژه تخلیه اول، راندمان شارژ و دشارژ، ولتاژ میانه دشارژ و نسبت جریان ثابت اساساً یکسان هستند. این نشان می دهد که افزودن NMP هیچ تاثیری بر ظرفیت تخلیه و ویژگی های بار و دشارژ ماده فعال الکترود مثبت ورق الکترود مثبت ندارد.

شکل های 2 تا 4 رابطه بین نسبت جریان ثابت، ظرفیت ویژه تخلیه سرعت، ولتاژ میانه دشارژ و مقدار اضافه NMP چهار ورق الکترود را نشان می دهد.

از شکل 2، می توان دریافت که در شرایط آزمایشی یکسان، نسبت جریان ثابت شارژ چهار باتری همگی بالای 98.2٪ است. از شکل‌های 3 و 4 می‌توان دریافت که ظرفیت ویژه تخلیه و ولتاژ میانه همان ورق الکترود با افزایش نرخ تخلیه همچنان رو به زوال است.

ظرفیت تخلیه و ولتاژ میانه الکترودهای A و B اساساً در نرخ های تخلیه مختلف یکسان است. با افزایش سرعت تخلیه، ولتاژ میانه و ظرفیت تخلیه الکترودهای C و D به تدریج افزایش می یابد. مشاهده می شود که وقتی NMP در غلظتی بیش از 1% اضافه شود، عملکرد سرعت تخلیه باتری تحت تأثیر قرار نمی گیرد. هنگامی که NMP در غلظت بیش از 1% اضافه می شود، NMP بر ظرفیت تخلیه و ولتاژ میانه الکترود مثبت تأثیر می گذارد.

شکل 5 منحنی عملکرد چرخه چهار نوع باتری را نشان می دهد. با مشاهده شکل 5 می توان دریافت که در ابتدای چرخه شارژ و دشارژ، روند فروپاشی ظرفیت ورق های الکترود A و ورق های الکترود B مشابه است و روند فروپاشی ظرفیت ورق های الکترود C و ورق های الکترود D مشابه است. ، در حالی که نرخ پوسیدگی ورق الکترود C و ورق الکترود D بزرگتر است. همانطور که چرخه ادامه می یابد، فروپاشی ورق های الکترود A، C و D تسریع می شود و نرخ فروپاشی ورق الکترود B اساساً بدون تغییر باقی می ماند. نرخ نگهداری نهایی ظرفیت باتری، ورق الکترود D＜C＜A＜B است. این نشان می دهد که وقتی مقدار NMP اضافه شده کمتر از 1٪ باشد، بهبود ویژگی های چرخه باتری مفید است، و زمانی که مقدار NMP اضافه شده بیشتر از 1٪ باشد، ویژگی های چرخه باتری تحت تأثیر قرار می گیرد.

نتیجه گیری

چسبندگی ورق الکترود مثبت را می توان با افزودن NMP بهبود بخشید و با افزایش مقدار NMP اضافه شده، چسبندگی به تدریج افزایش می یابد. پس از افزودن NMP، گروه های اسیدی روی الکترود خنثی می شوند، که می تواند از دست دادن الکترون ها روی سطح الکترود را کاهش دهد، از تیکسوتروپی دوغاب جلوگیری کند، چسبندگی بایندر و کلکتور جریان را افزایش دهد، دوغاب الکترود مثبت را به طور یکنواخت پراکنده کند. و سیالیت را بهبود می بخشد، در نتیجه استفاده از دوغاب و الکترود را بهبود می بخشد. هنگامی که مقدار NMP اضافه شده کمتر از 1٪ باشد، بر عملکرد سرعت تخلیه باتری تأثیر نمی گذارد و می تواند ویژگی های چرخه باتری را بهبود بخشد. با این حال، زمانی که مقدار NMP اضافه شده بیشتر از 1٪ باشد، NMP بر ظرفیت تخلیه و ولتاژ میانه الکترود مثبت تأثیر می گذارد و ویژگی های چرخه باتری را کاهش می دهد.