I. Характеристики та переваги поліакрилатних (PAA) в'яжучих
Мінімальний набряк в електролітових розчинниках: виявляє низький набряк, підтримуючи структурну цілісність електродів під час циклів заряду/розряду.
Висока частка карбоксильних груп: висока щільність полярних карбоксильних груп утворює сильні водневі зв’язки з активними матеріалами, що містять гідроксил, підвищуючи стабільність дисперсії.
Формування безперервної плівки: створює єдину плівку на матеріальних поверхнях, вдосконалюючи контакт між активними матеріалами та нинішніми колекціонерами.
Відмінна механічна стабільність: сприяє простоті обробки під час виробництва електродів.
Підвищена продуктивність та циклічна продуктивність SEI: висока концентрація полярних функціональних груп сприяє зв'язку водню з поверхнями кремнієвого матеріалу та допомагає у формуванні стабільного шару твердого електролітового інтерфази (SEI), що призводить до вищого терміну експлуатації циклу.
Ii. Виклики розвитку
Звичайні системи сполучних систем PAA (поліакрилова кислота) для електродів, як правило, використовують поперечні полімери ПАА в якості в'яжучого анода. Як полімер з високою молекулярною вагою, PAA пропонує чудову адгезію, стабільність дисперсії та інгібування корозії. Він стабілізує мережеву структуру в анодній суспензії, забезпечує рівномірну дисперсію активних матеріалів та продовжує тривалість життя електродів.
Однак полярні функціональні групи полегшують зв'язок водню в довгих молекулярних ланцюгах ПАА. Це обмежує вільне обертання ланцюгів, збільшуючи їх жорсткість. Отже, аркуші електродів на основі PAA, як правило, виявляють погану міцність. Це компрометує їх здатність протистояти напруженням, спричиненим обсягом розширення активних матеріалів під час циклу, перешкоджає процесам обмотки клітин і в кінцевому рахунку обмежує поліпшення електрохімічних показників акумулятора.
Iii. Дослідницькі практики в практичному застосуванні PAA батареї
1. Аноди вуглецю натрію-іонного акумулятора
Виробники твердих вуглецю для натрію-іонних акумуляторів (SIB) накладають суворі вимоги до в'яжучих. Високоякісне, дуже гнучке в'яжуче ПАА має вирішальне значення для захисту структурної цілісності анодів жорсткого вуглецю.
На нинішньому ринку анода жорсткого вуглецю SIB, використовуючи нестандартні в'яжучі ПАА, значно збільшує ризик підвищеної внутрішньої стійкості, негативно впливаючи на ефективність та надійність акумулятора. І навпаки, преміальна, дуже гнучка палітурка PAA ефективно пом'якшує ці проблеми.
Електрохімічні показники, провідність, адаптованість навколишнього середовища та корозійна стійкість гнучкого в'яжучого ПАА також є критичними факторами, безпосередньо впливають на якість кінцевого продукту анодного вуглецю.
Крім притаманних характеристик, практичне застосування значною мірою зосереджується на параметрах продуктивності, таких як характеристики сполучного, твердий вміст, міцність на адгезію та рівень рН. Ці параметри безпосередньо співвідносяться з експлуатаційною ефективністю анода жорсткого вуглецю.
2. Аноди на основі кремнію
Аноди літій-іонного акумулятора на основі кремнію пропонують специфічну ємність на порядок вище, ніж звичайний графіт. Однак формування стабільних кремнієвих анодів є складним завданням через значні зміни обсягу під час електрохімічного сплавлення/розведення кремнію з літієм. Вибір та оптимізація сполучного сполучення є життєво важливими для підвищення стабільності анода кремнію. Більшість досліджень використовують карбоксиметил целюлозу (CMC) та полівініліден -фтор (PVDF).
Значна частина експериментальних досліджень свідчить про те, що Pure PAA має механічні властивості, порівнянні з CMC, але містить більш високу концентрацію функціональних груп карбоксилу. Це дозволяє PAA діяти як в'яжучий для анодів SI, забезпечуючи чудові показники.
Дослідження додатково демонструють позитивний вплив вуглецевого покриття на стабільність анода. Аноди з покриттям вуглецю Si (перевіряються між 0. 01 та 1 V проти Li/Li+), включаючи ПАА на рівні до 15 мас.%, Проявляють виняткову стабільність протягом перших 100 циклів. Ці висновки відкривають нові шляхи для вивчення нових в'яжучих, таких як серія полівінілового спирту (PVA).
Закладення ПАА з іншими матеріалами являє собою новий напрямок розробки, включаючи зшиті в'яжучі в'яжучі AA-CMC, поперечні в'яжучі в'яжучі PAA-PVA, зшиті в'яжучі PAA-PANI (поліанілін) та в'яжучі EDTA-PAA.
3. PVA-G-PAA (PVA-прищеплений-PAA)
Новий водорозчинний сполучний, PVA-G-PAA, синтезується шляхом прищеплення ПАА на бічні ланцюги високо гнучкої PVA (полівініловий спирт). Ця функціональна групова модифікація підвищує гнучкість системи сполучної системи PAA, використовуючи чудові властивості адгезії PVA.
Ця вільнорадикальна полімеризація вводить еластичність, компенсуючи структурні обмеження чистих в'яжучих ПАА.
Під час виготовлення листів електродів, ущільнення кочення проводиться постійно, використовуючи різні тиски роликів через сегменти визначені довжини аркуша. Цей процес посилює жорсткість аркуша, мінімізуючи деформацію, збільшуючи специфічну ємність електрода, покращуючи можливість швидкості та продовження терміну експлуатації акумуляторного циклу.
4. ПАА ПАА (Ліпаа)
Застосування матеріалів кремнію (SI-C) покладає більш високі вимоги до систем анодних сполучних та електропровідних агентів. Традиційні жорсткі в'яжучі PVDF непридатні для анодів SI. Акрилові в'яжучі ПАА містять численні карбоксильні групи, здатні формувати водневі зв’язки з функціональними групами на поверхнях Si, сприяючи утворенню SEI та значно покращуючи термін експлуатації циклу анодів Si. Таким чином, в'яжучі ПАА є високоефективними для анодів СІ.
Дослідження показують, що літієвий поліакрилат (LIPAA) перевершує саму ПАА, хоча основні причини були незрозумілими. Було проведено широке дослідження для з'ясування механізму, що стоїть за вищими показниками LIPAA.
Досліджувались електроди, що складаються з 15% нано-Si, 73% штучного графіту, 2% вуглецю та 10% в'яжучого (або ПАА, або ліпаа). Після початкового висихання вторинне крок сушіння при 100-200 ступінь був проведений для повного видалення залишкової вологи. Тестування клітин монети виявило ємність ~ 790 мАг/г для анодів на основі LIPAA проти ~ 610 мАг/г для анодів на основі PAA.
Криві продуктивності циклу повних клітин за допомогою катодів NMC532
Малюнок A: У клітинах з сполукою LIPAA немає суттєвої кореляції між продуктивністю циклу та вторинною температурою сушіння. Катод NMC532 забезпечив початкову ємність 127 мАг/г при c/3, знизившись до ~ 91 мАг/г після 90 циклів.
Малюнок В: Клітини з паливом PAA виявляють чітку залежність від вторинної температури сушіння (червоний градус червоний, 140 градусів, 160 градусів зелений, 180 градусів синій). У той час як клітина PAA на 160 градусів показала найвищу початкову здатність, а 120 градусів сушеної клітини - найнижчою, сушеною клітиною на 160 градусів деградували найшвидше, досягаючи ~ 62 мАг/г після 90 циклів. 140 градусів сушені клітини деградували повільніше, підтримуючи ~ 71 мАг/г.
Кулонівська ефективність першого циклу (CE): клітини LIPAA досягали ~ 84% (лише 200 градусів клітини LIPAA була трохи нижчою на ~ 82%). Їх кулонівська ефективність швидко зросла до ~ 99,6% протягом перших 5 циклів. Клітини ПАА досягли ~ 80% CE на першому циклі (лише 180 градусів клітини ПАА була значно нижчою на ~ 75%), вимагаючи ~ 40 циклів, щоб досягти 99,6% до н.е.-помітно повільніше, ніж клітини LIPAA.
Тести на розряд імпульсу на 50% глибині розряду (DOD) виявили значно нижчу внутрішню стійкість у клітинах LIPAA порівняно з клітинами PAA [посилаючись на малюнок нижче], не витрачений зв’язок із вторинною температурою сушіння для LIPAA. На відміну від цього, стійкість клітин PAA помітно зросла при більш високих температурах сушіння.
Термогравіметричний аналіз (TGA) Кевіном А. Хейсом [посилаючись на малюнок нижче] Про аноди LIPAA та PAA визначили два основні етапи зневоднення: 1) вільне видалення води (~ 40 градусів), 2) адсорбоване видалення води (LIPAA ~ 75 градусів, PAA ~ 125 градусів). Додаткові піки схуднення були для ПАА між 140-208 ступенем та ліпою між 85-190 градусом, приписуючи полімеризацію деяких карбоксильних груп, що вивільняють воду [посилається на реакцію нижче]. Ця реакція менш виражена в LIPAA, де Li замінює h у ~ 80% карбоксильних груп.
Високотемпературна полімеризація карбоксильних груп PAA може послабити взаємодію між ПАА та СІ, потенційно пояснюючи низьку продуктивність циклу високотемпературних сушених анодів PAA. Однак тести на міцність на шкірку показали, що, хоча адгезія ПАА знижувалася при більш високій температурі сушіння, вона залишається вищою, ніж загальна ліпаа, що дозволяє припустити, що інші фактори сприяють вищому велосипедному руху LIPAA.
Ⅳ. Висновок
Це дослідження визначає погану електрохімічну стабільність як ключовий фактор, що обмежує продуктивність циклу PAA. При низьких потенціалах ПАА зазнає часткового перетворення наЛіпаа, генерування водневого газу:
PAA + ... ->Lipaa + h₂
Ця реакція пояснює нижчий показник першого циклу клітин PAA (~ 80%) порівняно з клітинами LIPAA (~ 84%) та значно більш тривалим часом (~ 40 циклів проти<5 cycles) required for PAA cells to achieve high Coulombic efficiency (99.6%).
Tob New Energy- Ваш професійний партнер уМатеріали акумулятора, Обладнання та рішення виробничої лінії.
