NMP Konsantrasyonunun LFP Pil Performansına Etkisi

Lityum demir fosfat (LiFePO4)katot elektrot malzemesiyağ bazlı bulamaç genellikle kullanılırN-metilpirolidon (NMP)solvent olarak dimetil sülfoksit ve dimetilformamid, solvent geri kazanımının zor olması, çok miktarda kullanılması ve çevre kirliliği gibi problemlere sahiptir. LiFePO4 pozitif elektrot malzemesi su bazlı bulamaç, solvent olarak çevre dostu ve düşük maliyetli deiyonize su kullanır, ancak su bazlı bağlayıcı pozitif elektrot tabakasının zayıf esneklik, aktif malzemelerin zayıf yapışması ve zayıf elektrokimyasal performans gibi sorunları vardır. Bu yazıda NMP'nin, NMP ile hazırlanan pozitif elektrot levhaların performansı üzerindeki etkisini incelemek için farklı NMP ilave miktarlarına sahip pozitif elektrot levhalar hazırlandı.su bazlı bağlayıcı LA132.

Deney

Sulu bağlayıcı LA132, süper iletken karbon siyahı, iyonu giderilmiş su ve LiFePO4, 2,5:2,5:50:40 kütle oranında bulamaç halinde hazırlandı. A, B, C ve D olarak numaralandırılmış 0, %1, %2 ve %3 NMP ile dört porsiyon bulamaç ilave edildi. Pozitif elektrodun perdahlanması. Suyun ve NMP'nin uzaklaştırılması için pozitif elektrotun vakumda 100 derecede 24 saat kurutulması ile %95 aktif madde içeriğine sahip pozitif elektrot hazırlandı. 20 mm çapında diskler halinde kesin. CR2016 madeni para hücresini lityum metal levha negatif elektrot, 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (hacim oranı 1:1:1) elektrolit, mikro gözenekli polipropilen ayırıcı ile kuru argon gazı dolu torpido gözünde birleştirin.

Öncelikle A, B, C ve D elektrot tabakalarını 180 derece bükün ve ardından elektrot tabakalarının yapışmasını bir çekme test makinesinde test edin. Daha sonra, bir tokluk test cihazında elektrot levhaları üzerinde bir tokluk testi yapın (şaft çubuklarının çapları sırasıyla 1, 2, 3, 4, 6, 8 ve 10 mm'dir) ve yüzeyde çatlak olup olmadığını gözlemleyin. Sarıldıktan sonra elektrot tabakalarının. Pilin şarj ve deşarj testi akım yoğunluğu 0,1C'dir ve test voltajı 2,5~3,5V'dir.

Sonuçlar ve tartışma

Şekil 1, LiFePO4 elektrotunun 180 derecelik bükülmede yapışmasını gösteren bir test diyagramıdır. Şekil 1'den, NMP eklenmesi nedeniyle elektrotun yapışmasının önemli ölçüde arttığı ve elektrotun yapışmasındaki iyileşmenin eklenen NMP miktarıyla orantılı olduğu görülebilmektedir. Yapışma, moleküller arasındaki etkileşime bağlı olan bir tür van der Waals kuvvetidir.

LiFePO4 elektrot levhalarının üretim süreci sırasında elektrot levhaları kaçınılmaz olarak havadaki oksijenle temas edecektir. Isıtma işlemi sırasında, ısıtılan elektrot tabakaları oksijenle reaksiyona girerek asidik gruplar oluşturur. Asidik gruplar elektronlardan yoksundur ve sulu bağlayıcıda (-CN) ile moleküller arası zayıf hidrojen bağları oluşturacaktır. Bulamacın tiksotropisini değiştirecek, akışkanlığı azaltacak ve düzgün olmayan bulamaç kaplamasına neden olacaktır. NMP eklendikten sonra elektrot tabakalarındaki asidik grupları nötralize edecektir. Elektrot tabakalarının yüzeyindeki elektron kaybını azaltabilir, bulamacın tiksotropiden korunmasını sağlayabilir ve bağlayıcı ile akım toplayıcı arasındaki yapışmayı artırabilir. Pozitif elektrot bulamacı eşit şekilde dağılır ve akışkanlık iyileştirilir, böylece bulamacın ve elektrot tabakalarının kullanım oranı artar. Bu nedenle elektron açısından zengin solvent NMP'nin eklenmesi pilin performansını artırabilir.

Tablo 1, dört tip elektrot tabakasının esneklik testinin sonuçlarını göstermektedir. Şekil 1 göz önüne alındığında, 6 mm çaplı sarma iğnesi pozitif elektrot A'yı test ettiğinde yüzey çatlaklarının ortaya çıktığı ve 1 mm çaplı sarma iğnesi test edildiğinde B~D elektrotlarının yüzey çatlaklarına sahip olmadığı bulunabilir. En zayıf esnekliğin, hazırlama sırasında çatlamaya, kırılmaya ve yırtılmaya yatkın olan saf su bazlı pozitif elektrot tabakası olduğu görülebilir. NMP'nin eklenmesi elektrot tabakasının esnekliğini artırabilir ve elektrot tabakasının kullanım oranını artırabilir. LA132 bağlayıcıdaki lateks parçacıkları, güçlü moleküller arası kuvvetlere ve zayıf bükülme kabiliyetine sahip güçlü polar polimerlerdir ve elektrot tabakasının kırılması kolaydır. NMP ilavesi ile LA132 bağlayıcıdaki lateks parçacıklarının çapı artar, bükülme yeteneği artar, moleküler zincirin dönme yeteneği azalır ve elektrot tabakasının esnekliği artar.

Tablo 2 elektrot tabakasının elektrokimyasal performans testi sonuçlarını göstermektedir. İlk deşarj özgül kapasitesi, şarj ve deşarj verimi, deşarj medyan gerilimi ve sabit akım oranı değerleri temelde aynıdır. Bu, NMP ilavesinin, pozitif elektrot tabakasının pozitif elektrot aktif malzemesinin deşarj kapasitesi ve şarj ve deşarj özellikleri üzerinde hiçbir etkisinin olmadığını göstermektedir.

Şekil 2 ila 4, dört elektrot tabakasının sabit akım oranı, oranlı deşarj özgül kapasitesi, deşarj medyan voltajı ve NMP ilave miktarı arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

Şekil 2'den aynı test koşulları altında dört akünün şarj sabit akım oranlarının %98,2'nin üzerinde olduğu görülebilir. Şekil 3 ve 4'ten, aynı elektrot tabakasının deşarj özgül kapasitesinin ve ortalama voltajının, deşarj hızının artmasıyla birlikte düşmeye devam ettiği bulunabilir.

A ve B elektrotlarının deşarj kapasitesi ve ortalama voltajı, farklı deşarj hızlarında temel olarak aynıdır. Deşarj hızı arttıkça, C ve D elektrotlarının ortalama voltajı ve deşarj kapasitesi giderek artar. NMP'nin %1'i aşmayan bir konsantrasyonda eklenmesi durumunda pilin deşarj hızı performansının etkilenmeyeceği görülmektedir. NMP %1'den fazla bir konsantrasyonda eklendiğinde NMP, pozitif elektrotun deşarj kapasitesini ve ortalama voltajını etkileyecektir.

Şekil 5, dört tip pilin çevrim performans eğrilerini göstermektedir. Şekil 5'i inceleyerek, şarj ve deşarj döngüsünün başlangıcında, elektrot levhaları A ve elektrot levhaları B'nin kapasite azalma eğilimlerinin benzer olduğu ve elektrot levhaları C ile elektrot levhaları D'nin kapasite azalma eğilimlerinin benzer olduğu bulunabilir. elektrot tabakaları C ve elektrot tabakaları D'nin bozunma oranları daha büyüktür. Döngü devam ettikçe, A, C ve D elektrot tabakalarının bozunması hızlanır ve B elektrot tabakasının bozunma hızı temelde değişmeden kalır. Nihai pil kapasitesi tutma oranı elektrot sayfası D＜C＜A＜B'dir. Bu durum eklenen NMP miktarının %1'den az olması durumunda pilin çevrim özelliklerinin iyileştirilmesinde fayda olduğunu, eklenen NMP miktarının %1'den fazla olması durumunda ise pilin çevrim özelliklerinin etkileneceğini göstermektedir.

Çözüm

Pozitif elektrot tabakasının yapışması, NMP eklenerek geliştirilebilir ve eklenen NMP miktarının artmasıyla yapışma yavaş yavaş artar. NMP eklendikten sonra, elektrot üzerindeki asidik gruplar nötralize edilecek, bu da elektrot yüzeyindeki elektron kaybını azaltabilecek, bulamacın tiksotropiden korunmasını sağlayabilecek, bağlayıcının ve akım toplayıcının yapışmasını arttırabilecek, pozitif elektrot bulamacının eşit şekilde dağılmasını sağlayacaktır. ve akışkanlığı geliştirerek bulamacın ve elektrotun kullanımını iyileştirir. Eklenen NMP miktarı %1'den az olduğunda, pilin deşarj hızı performansını etkilemez ve pilin çevrim özelliklerini iyileştirebilir. Ancak eklenen NMP miktarı %1'den fazla olduğunda NMP, pozitif elektrotun deşarj kapasitesini ve ortalama voltajını etkileyecek ve pilin çevrim özelliklerini azaltacaktır.