يستخدم CMC في صناعة البطاريات

ما هو كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم?

الصوديوم كربوكسي ميثيل السليلوز، (وتسمى أيضا: كربوكسي ميثيل السليلوز ملح الصوديوم، كربوكسي ميثيل السليلوز، CMC، كربوكسي ميثيل، السليلوز الصوديوم، SodiumsaltofCaboxyMethylCellulose) هو أكثر أنواع الألياف استخدامًا في العالم، جرعة الحد الأقصى.

Cmc-na هو أحد مشتقات السليلوز بدرجة بلمرة تتراوح من 100 إلى 2000 ووزن جزيئي يبلغ 242.16. مسحوق ليفي أو حبيبي أبيض. عديم الرائحة، لا طعم له، لا طعم له، استرطابي، غير قابل للذوبان في المذيبات العضوية. تهدف هذه الورقة بشكل أساسي إلى فهم تطبيق كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم في تفاصيل بطارية أيون الليثيوم.

التقدم في تطبيق كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم سي إم سيفي بطاريات الليثيوم أيون

في الوقت الحاضر، يستخدم فلوريد البولي فينيلدين [pVDF، (CH: A CF:)] على نطاق واسع كمواد رابطة في إنتاج بطاريات أيونات الليثيوم. . إن PVDF ليس مكلفًا فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى استخدامه في عملية تطبيق المذيبات العضوية المتفجرة والصديقة للبيئة، مثل N methyl الذي يحتوي على كيتون الألكان (NMp) ومتطلبات رطوبة الهواء لعملية الإنتاج بشكل صارم، كما يمكن بسهولة أيضًا مع تضمينه معدن الليثيوم، الليثيوم جرافيت تفاعل ثانوي، خاصة في حالة ارتفاع درجة الحرارة، خطر عفوي للانفلات الحراري. يتم استخدام كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم (CMC)، وهو مادة رابطة قابلة للذوبان في الماء، كبديل لـ pVDF لمواد الأقطاب الكهربائية، والتي يمكن أن تتجنب استخدام NMp، وخفض التكاليف وتقليل التلوث البيئي. وفي الوقت نفسه، لا تتطلب عملية الإنتاج رطوبة بيئية، ولكنها يمكنها أيضًا تحسين قدرة البطارية، وإطالة عمر الدورة. في هذا البحث، تمت مراجعة دور CMC في أداء بطارية الليثيوم أيون، وتم تلخيص آلية CMC لتحسين أداء البطارية من جوانب الاستقرار الحراري والتوصيل الكهربائي والخصائص الكهروكيميائية.

1. هيكل وأداء CMC

1) هيكل CMC

يتم تصنيف CMC عمومًا حسب درجات الاستبدال المختلفة (Ds)، ويتأثر شكل المنتج وأدائه بشكل كبير بدرجات الاستبدال. إلكسي وآخرون. درس CMC مع Ds لأزواج H المختلفة من Na. أظهرت نتائج تحليل SEM أن CMC-Li-1 (Ds = 1.00) قدم بنية حبيبية، وCMC-Li-2 (Ds = 0.62) قدم بنية خطية. أثبت البحث الذي أجراه M. E et al أن CMC. يمكن لمطاط ستايرين بوتادين (SBR) أن يمنع تكتل Li: O ويثبت هيكل الواجهة، وهو أمر مفيد للأداء الكهروكيميائي.

2) أداء CMC

2.1 )الاستقرار الحراري

زي جي هان وآخرون. دراسة الثبات الحراري للمجلدات المختلفة. تبلغ درجة الحرارة الحرجة لـ pVDF حوالي 4500 درجة مئوية. عند الوصول إلى 500 درجة مئوية، يحدث التحلل السريع وتنخفض الكتلة بحوالي 70%. عندما تصل درجة الحرارة إلى 600 درجة مئوية، تنخفض الكتلة بنسبة 70%. عندما تصل درجة الحرارة إلى 300 درجة مئوية، انخفضت كتلة CMC-Li بنسبة 70%. عندما وصلت درجة الحرارة إلى 400 درجة مئوية، انخفضت كتلة CMC-Li بنسبة 10%. يتحلل CMCLi بسهولة أكبر من pVDF في نهاية عمر البطارية.

2.2 )الموصلية الكهربائية

س. تشو وآخرون. أظهرت نتائج اختبار أن المقاومة النوعية لـ CMCLI-1، CMC-Li-2 وpVDF كانت 0.3154 Mn·m و0.2634 Mn، على التوالي. M و 20.0365 Mn·m، مما يشير إلى أن مقاومة pVDF أعلى من مقاومة CMCLi، وأن موصلية CMC-LI أفضل من تلك الخاصة بـ pVDF، وأن موصلية CMCLI.1 أقل من موصلية CMCLI.2.

2.3)الأداء الكهروكيميائي

FM كورتيل وآخرون. درس منحنيات قياس الجهد الدوري للأقطاب الكهربائية المعتمدة على البولي سلفونات (AQ) عند استخدام مواد ربط مختلفة. تحتوي المجلدات المختلفة على تفاعلات أكسدة واختزال مختلفة، وبالتالي فإن ذروة الجهد مختلفة. من بينها، قدرة الأكسدة لـ CMCLi هي 2.15 فولت، وإمكانية الاختزال هي 2.55 فولت. كانت إمكانات الأكسدة وإمكانية التخفيض لـ pVDF 2.605 فولت و1.950 فولت على التوالي. بالمقارنة مع منحنيات قياس الجهد الدوري في المرتين السابقتين، كان فرق ذروة الأكسدة لذروة اختزال الأكسدة عند استخدام رابط CMCLi أصغر من ذلك عند استخدام pVDF، مما يشير إلى أن التفاعل كان أقل إعاقة وأن رابط CMCLi كان أكثر ملاءمة لـ حدوث تفاعل الأكسدة والاختزال.

2. تأثير وآلية تطبيق CMC

1) تأثير التطبيق

بيجاي سو وآخرون. درست الأداء الكهروكيميائي للمواد المركبة Si/C عند استخدام pVDF وCMC كمواد رابطة، ووجدت أن البطارية التي تستخدم CMC كانت لها سعة محددة قابلة للعكس تبلغ 700 مللي أمبير/جرام لأول مرة ولا تزال لديها 597 مللي أمبير/جرام بعد دورات 4O، وهو ما كان متفوقًا على البطارية باستخدام pVDF. جيه لي وآخرون. درس تأثير Ds of CMC على ثبات تعليق الجرافيت واعتقد أن جودة التعليق السائلة يتم تحديدها بواسطة Ds. في حالة DS المنخفضة، يتمتع CMC بخصائص قوية كارهة للماء، ويمكن أن يزيد التفاعل مع سطح الجرافيت عند استخدام الماء كوسائط. تتمتع CMC أيضًا بمزايا في الحفاظ على استقرار الخواص الدورية لمواد الأنود المصنوعة من سبائك السيليكون والقصدير. تم تحضير أقطاب NiO بتركيزات مختلفة (0.1 مول، 0.3 مول/لتر و0.5 مول/لتر) CMC وpVDF، وتم شحنها وتفريغها عند 1.5-3.5 فولت مع تيار 0.1 درجة مئوية. خلال الدورة الأولى، كانت قدرة خلية رابط pVDF أعلى من قدرة خلية رابط CMC. عندما يصل عدد الدورات إلى LO، فإن قدرة التفريغ لرابط pVDF تنخفض بشكل واضح. بعد دورات 4JD، انخفضت سعات التفريغ المحددة لملفات 0.1movL و0.3MOUL و0.5MovLPVDF إلى 250mAh/g و157mAtv 'g و102mAh/g على التوالي: سعة التفريغ المحددة للبطاريات ذات 0.1mol/L و0.3moL/L وتم الاحتفاظ بـ 0.5 مولر / LCMC عند 698 مللي أمبير / جم و 555 مللي أمبير / جم و 550 مللي أمبير / جم على التوالي.

يتم استخدام رابط CMC على LiTI0. : والجسيمات النانوية SnO2 في الإنتاج الصناعي. باستخدام CMC كمواد رابطة، LiFepO4 وLi4TI50l2 كمواد نشطة إيجابية وسلبية، على التوالي، وباستخدام pYR14FS1 كإلكتروليت مثبط للهب، تم تدوير البطارية 150 مرة بتيار 0.1c عند 1.5 فولت ~ 3.5 فولت عند درجة الحرارة، والنوع الموجب تم الحفاظ على السعة عند 140 مللي أمبير/جرام. من بين الأملاح المعدنية المختلفة في CMC، يقدم CMCLi أيونات معدنية أخرى، والتي يمكن أن تمنع "تفاعل التبادل (السابع)" في المنحل بالكهرباء أثناء الدورة الدموية.

2) آلية تحسين الأداء

يمكن لـ CMC Li Binder تحسين الأداء الكهروكيميائي للقطب الأساسي AQ في بطارية الليثيوم. م. ه وآخرون. -4 أجرى دراسة أولية حول الآلية واقترح نموذجًا لتوزيع CMC-Li في القطب الكهربائي AQ. يأتي الأداء الجيد لـ CMCLi من تأثير الترابط القوي للروابط الهيدروجينية التي تنتجها OH، مما يساهم في التكوين الفعال للهياكل الشبكية. لن يذوب CMC-Li المحب للماء في المنحل بالكهرباء العضوي، لذلك يتمتع باستقرار جيد في البطارية، وله التصاق قوي بهيكل القطب، مما يجعل البطارية تتمتع باستقرار جيد. يتمتع رابط Cmc-li بموصلية Li جيدة نظرًا لوجود عدد كبير من المجموعات الوظيفية في السلسلة الجزيئية لـ CMC-Li. أثناء التفريغ، هناك مصدران للمواد الفعالة التي تعمل مع Li: (1) Li في المنحل بالكهرباء؛ (2) Li على السلسلة الجزيئية لـ CMC-Li بالقرب من المركز الفعال للمادة الفعالة.

تفاعل مجموعة الهيدروكسيل ومجموعة الهيدروكسيل في رابط كربوكسي ميثيل CMC-Li سوف يشكل رابطة تساهمية؛ تحت تأثير قوة المجال الكهربائي، يمكن لـ U النقل على السلسلة الجزيئية أو السلسلة الجزيئية المجاورة، أي أن بنية السلسلة الجزيئية لن تتضرر؛ في نهاية المطاف، سوف يرتبط Lj بجسيم AQ. يشير هذا إلى أن تطبيق CMCLi لا يحسن كفاءة نقل Li فحسب، بل يحسن أيضًا معدل استخدام AQ. كلما زاد محتوى cH: COOLi و10Li في السلسلة الجزيئية، كان نقل Li أسهل. م. أرماند وآخرون. يعتقد أن المركبات العضوية -COOH أو OH يمكن أن تتفاعل مع 1 Li على التوالي وتنتج 1 C00Li أو 1 0Li عند إمكانات منخفضة. من أجل مواصلة استكشاف آلية الموثق CMCLi في القطب، تم استخدام CMC-Li-1 كمادة نشطة وتم الحصول على استنتاجات مماثلة. يتفاعل Li مع cH واحد وCOOH وواحد 0H من CMC Li ويولد cH: COOLi وواحد 0 "على التوالي، كما هو موضح في المعادلتين (1) و(2)

مع زيادة عدد cH وCOOLi وOLi، يزداد DS الخاص بـ CMC-Li. وهذا يدل على أن الطبقة العضوية المكونة أساسًا من رابط سطح جسيمات AQ تصبح أكثر استقرارًا وأسهل في نقل Li. CMCLi هو بوليمر موصل يوفر طريق نقل لـ Li للوصول إلى سطح جزيئات AQ. تتمتع روابط CMCLi بموصلية إلكترونية وأيونية جيدة، مما يؤدي إلى أداء كهروكيميائي جيد ودورة حياة طويلة لأقطاب CMCLi. شبيبة بريدل وآخرون. تم إعداد أنود بطارية أيون الليثيوم باستخدام مواد مركبة من السيليكون/الكربون/البوليمر مع مواد رابطة مختلفة لدراسة تأثير التفاعل بين السيليكون والبوليمر على الأداء العام للبطارية، ووجد أن CMC كان لديه أفضل أداء عند استخدامه كمواد رابطة. هناك رابطة هيدروجينية قوية بين السيليكون وCMC، والتي تتمتع بقدرة على الشفاء الذاتي ويمكنها ضبط الضغط المتزايد للمادة أثناء عملية التدوير للحفاظ على استقرار هيكل المادة. مع CMC كمواد رابطة، يمكن الحفاظ على قدرة أنود السيليكون أعلى من 1000mAh/g في 100 دورة على الأقل، وكفاءة الكولوم قريبة من 99.9%.

3، الاستنتاج

كمواد رابطة، يمكن استخدام مادة CMC في أنواع مختلفة من مواد الأقطاب الكهربائية مثل الجرافيت الطبيعي، وكريات الكربون الدقيقة متوسطة الطور (MCMB)، وتيتانات الليثيوم، ومواد الأنود القائمة على السيليكون، ومواد أنود فوسفات الحديد الليثيوم، والتي يمكنها تحسين البطارية. القدرة واستقرار الدورة وعمر الدورة مقارنة بـ pYDF. إنه مفيد للاستقرار الحراري والتوصيل الكهربائي والخصائص الكهروكيميائية لمواد CMC. هناك آليتان رئيسيتان لـ CMC لتحسين أداء بطاريات الليثيوم أيون:

(1) يؤدي أداء الارتباط المستقر لـ CMC إلى إنشاء شرط أساسي ضروري للحصول على أداء مستقر للبطارية؛

(2) تتمتع CMC بموصلية جيدة للإلكترون والأيون ويمكنها تعزيز نقل Li