CMC wird in der Batterieindustrie eingesetzt

Was ist Natriumcarboxymethylcellulose??

Natriumcarboxymethylcellulose (auch genannt: Carboxymethylcellulose-Natriumsalz, Carboxymethylcellulose, CMC, Carboxymethyl, CelluloseNatrium, Natriumsalz von CaboxyMethylCellulose) ist die weltweit am häufigsten verwendete Ballaststoffart mit maximaler Dosierung.

Cmc-na ist ein Cellulosederivat mit einem Polymerisationsgrad von 100–2000 und einem Molekulargewicht von 242,16. Weißes faseriges oder körniges Pulver. Geruchlos, geschmacksneutral, hygroskopisch, unlöslich in organischen Lösungsmitteln. Dieses Papier dient hauptsächlich dem Verständnis der Anwendung von Natriumcarboxymethylcellulose in Einzelheiten zu Lithium-Ionen-Batterien.

Fortschritte bei der Anwendung von Natriumcarboxymethylcellulose CMCin Lithium-Ionen-Batterien

Derzeit wird Polyvinylidenfluorid [pVDF, (CH: A CF:)] häufig als Bindemittel bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet. . PVDF ist nicht nur teuer, sondern erfordert auch die Verwendung explosiver, umweltfreundlicher organischer Lösungsmittel wie N-Methyl, die für den Produktionsprozess strenge Anforderungen an Alkanketone (NMp) und Luftfeuchtigkeit stellen und auch problemlos eingebettet werden können Bei der sekundären Reaktion von Metalllithium und Lithiumgraphit besteht, insbesondere bei hohen Temperaturen, ein spontanes Risiko eines thermischen Durchgehens. Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), ein wasserlösliches Bindemittel, wird als Ersatz für pVDF für Elektrodenmaterialien verwendet, wodurch der Einsatz von NMp vermieden, Kosten gesenkt und die Umweltverschmutzung verringert werden können. Gleichzeitig erfordert der Produktionsprozess keine Umgebungsfeuchtigkeit, kann aber auch die Kapazität der Batterie verbessern und die Lebensdauer verlängern. In diesem Artikel wurde die Rolle von CMC für die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien untersucht und der Mechanismus der Verbesserung der Batterieleistung durch CMC unter den Aspekten thermische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und elektrochemische Eigenschaften zusammengefasst.

1. Struktur und Leistung von CMC

1) CMC-Struktur

CMC wird im Allgemeinen nach unterschiedlichem Substitutionsgrad (Ds) klassifiziert, und die Morphologie und Leistung des Produkts werden stark von Ds beeinflusst. LXie et al. untersuchte THE CMC mit Ds verschiedener H-Paare von Na. Die Ergebnisse der SEM-Analyse zeigten, dass CMC-Li-1 (Ds = 1,00) eine körnige Struktur und CMC-Li-2 (Ds = 0,62) eine lineare Struktur aufwies. Die Forschung von M. E et al. hat bewiesen, dass CMC. Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) kann die Agglomeration von Li:O hemmen und die Grenzflächenstruktur stabilisieren, was sich positiv auf die elektrochemische Leistung auswirkt.

2) CMC-Leistung

2.1 )Thermische Stabilität

Zj Han et al. untersuchte die thermische Stabilität verschiedener Bindemittel. Die kritische Temperatur von pVDF liegt bei etwa 450 °C. Bei Erreichen von 500℃ kommt es zu einer schnellen Zersetzung und die Masse verringert sich um etwa 70 %. Als die Temperatur 600℃ erreichte, wurde die Masse weiter um 70 % reduziert. Als die Temperatur 300 °C erreichte, verringerte sich die Masse von CMC-Li um 70 %. Als die Temperatur 400℃ erreichte, wurde die Masse von CMC-Li um 10 % reduziert. CMCLi zersetzt sich am Ende der Batterielebensdauer leichter als pVDF.

2.2 )Die elektrische Leitfähigkeit

S. Chou et al. Die Testergebnisse zeigten, dass der spezifische Widerstand von CMCLI-1, CMC-Li-2 und pVDF 0,3154 Mn·m bzw. 0,2634 Mn betrug. M und 20,0365 Mn·m, was darauf hinweist, dass der spezifische Widerstand von pVDF höher ist als der von CMCLi, die Leitfähigkeit von CMC-LI besser ist als die von pVDF und die Leitfähigkeit von CMCLI.1 niedriger ist als die von CMCLI.2.

2.3)Elektrochemische Leistung

FM Courtel et al. untersuchten die zyklischen Voltammetriekurven von Elektroden auf Polysulfonatbasis (AQ), wenn verschiedene Bindemittel verwendet wurden. Verschiedene Bindemittel haben unterschiedliche Oxidations- und Reduktionsreaktionen, daher ist das Spitzenpotential unterschiedlich. Unter diesen beträgt das Oxidationspotential von CMCLi 2,15 V und das Reduktionspotential 2,55 V. Das Oxidationspotential und das Reduktionspotential von pVDF betrugen 2,605 V bzw. 1,950 V. Verglichen mit den zyklischen Voltammetriekurven der vorherigen beiden Male war die Spitzenpotentialdifferenz des Oxidations-Reduktions-Peaks bei Verwendung von CMCLi-Binder kleiner als bei Verwendung von pVDF, was darauf hindeutet, dass die Reaktion weniger behindert wurde und CMCLi-Binder die Reaktion stärker begünstigte das Auftreten der Oxidations-Reduktions-Reaktion.

2. Anwendungseffekt und Mechanismus von CMC

1) Anwendungseffekt

Pj Suo et al. untersuchten die elektrochemische Leistung von Si/C-Verbundmaterialien bei Verwendung von pVDF und CMC als Bindemittel und stellten fest, dass die Batterie mit CMC zum ersten Mal eine reversible spezifische Kapazität von 700 mAh/g aufwies und nach 40 Zyklen immer noch 597 mAh/g aufwies war der Batterie mit pVDF überlegen. Jh Lee et al. untersuchten den Einfluss des Ds von CMC auf die Stabilität der Graphitsuspension und gingen davon aus, dass die Flüssigkeitsqualität der Suspension durch den Ds bestimmt wurde. Bei niedrigem DS weist CMC starke hydrophobe Eigenschaften auf und kann die Reaktion mit der Graphitoberfläche verstärken, wenn Wasser als Medium verwendet wird. CMC hat auch Vorteile bei der Aufrechterhaltung der Stabilität der zyklischen Eigenschaften von Anodenmaterialien aus Silizium-Zinn-Legierungen. Die NiO-Elektroden wurden mit unterschiedlichen Konzentrationen (0,1 mouL, 0,3 mol/L und 0,5 mol/L) CMC und pVDF-Binder hergestellt und bei 1,5–3,5 V mit einem Strom von 0,1 c geladen und entladen. Während des ersten Zyklus war die Kapazität der pVDF-Binderzelle höher als die der CMC-Binderzelle. Wenn die Anzahl der Zyklen 10 erreicht, nimmt die Entladungskapazität des pVDF-Bindemittels offensichtlich ab. Nach 4JD-Zyklen sanken die spezifischen Entladekapazitäten von 0,1movL-, 0,3MOUL- und 0,5MovLPVDF-Bindemitteln auf 250 mAh/g, 157 mAtv 'g bzw. 102 mAh/g: Die spezifischen Entladekapazitäten von Batterien mit 0,1 mol/L, 0,3 mol/L und 0,5 mol/LCMC-Binder wurden bei 698 mAh/g gehalten, 555 mAh/g bzw. 550 mAh/g.

Auf LiTI0 wird CMC-Binder verwendet. : und SnO2-Nanopartikel in der industriellen Produktion. Unter Verwendung von CMC als Bindemittel, LiFepO4 und Li4TI50l2 als positive bzw. negative aktive Materialien und unter Verwendung von pYR14FS1 als flammhemmendem Elektrolyten wurde die Batterie 150 Mal bei einem Strom von 0,1 c bei 1,5 V bis 3,5 V bei Temperatur und positiver Spezifität zyklisch betrieben Die Kapazität wurde bei 140 mAh/g gehalten. Unter den verschiedenen Metallsalzen in CMC führt CMCLi andere Metallionen ein, die die „Austauschreaktion (vii)“ im Elektrolyten während der Zirkulation hemmen können.

2) Mechanismus der Leistungsverbesserung

Der CMC-Li-Binder kann die elektrochemische Leistung der AQ-Basiselektrode in Lithiumbatterien verbessern. M. E et al. -4 führte eine Vorstudie zum Mechanismus durch und schlug ein Modell der Verteilung von CMC-Li in der AQ-Elektrode vor. Die gute Leistung von CMCLi beruht auf der starken Bindungswirkung von Wasserstoffbrückenbindungen, die durch ein OH erzeugt werden und zur effizienten Bildung von Netzstrukturen beitragen. Das hydrophile CMC-Li löst sich nicht im organischen Elektrolyten auf, sodass es eine gute Stabilität in der Batterie aufweist und eine starke Haftung an der Elektrodenstruktur aufweist, wodurch die Batterie eine gute Stabilität aufweist. Cmc-li-Binder weist eine gute Li-Leitfähigkeit auf, da die Molekülkette von CMC-Li über eine große Anzahl funktioneller Gruppen verfügt. Während der Entladung gibt es zwei Quellen wirksamer Substanzen, die mit Li wirken: (1) Li im Elektrolyten; (2) Li an der Molekülkette von CMC-Li in der Nähe des wirksamen Zentrums des Wirkstoffs.

Durch die Reaktion der Hydroxylgruppe und der Hydroxylgruppe im Carboxymethyl-CMC-Li-Binder wird eine kovalente Bindung gebildet. Unter der Wirkung der elektrischen Feldkraft kann U auf die Molekülkette oder benachbarte Molekülketten übertragen werden, d. h. die Struktur der Molekülkette wird nicht beschädigt; Schließlich wird sich Lj an das AQ-Partikel binden. Dies weist darauf hin, dass die Anwendung von CMCLi nicht nur die Übertragungseffizienz von Li verbessert, sondern auch die Nutzungsrate von AQ verbessert. Je höher der Gehalt an cH:COOLi und 10Li in der Molekülkette ist, desto einfacher ist die Li-Übertragung. M. Arrmand et al. glaubten, dass organische Verbindungen von -COOH oder OH mit 1 Li reagieren und bei niedrigem Potential 1 C00Li oder 1 0Li erzeugen könnten. Um den Mechanismus des CMCLi-Binders in der Elektrode weiter zu untersuchen, wurde CMC-Li-1 als aktives Material verwendet und ähnliche Schlussfolgerungen gezogen. Li reagiert mit einem cH, COOH und einem 0H aus CMC Li und erzeugt cH: COOLi bzw. ein 0 „, wie in den Gleichungen (1) und (2) gezeigt.

Mit zunehmender Anzahl von cH, COOLi und OLi nimmt der DS von CMC-Li zu. Dies zeigt, dass die organische Schicht, die hauptsächlich aus dem Oberflächenbindemittel der AQ-Partikel besteht, stabiler wird und Li leichter zu übertragen ist. CMCLi ist ein leitfähiges Polymer, das Li einen Transportweg zur Oberfläche von AQ-Partikeln bietet. CMCLi-Binder verfügen über eine gute elektronische und ionische Leitfähigkeit, was zu einer guten elektrochemischen Leistung und einer langen Zyklenlebensdauer der CMCLi-Elektroden führt. JS Bridel et al. stellten die Anode einer Lithium-Ionen-Batterie unter Verwendung von Silizium/Kohlenstoff/Polymer-Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Bindemitteln her, um den Einfluss der Wechselwirkung zwischen Silizium und Polymer auf die Gesamtleistung der Batterie zu untersuchen, und stellten fest, dass CMC die beste Leistung aufwies, wenn es als Bindemittel verwendet wurde. Zwischen Silizium und CMC besteht eine starke Wasserstoffbindung, die über die Fähigkeit zur Selbstheilung verfügt und die zunehmende Spannung des Materials während des Zyklenprozesses ausgleichen kann, um die Stabilität der Materialstruktur aufrechtzuerhalten. Mit CMC als Bindemittel kann die Kapazität der Siliziumanode in mindestens 100 Zyklen über 1000 mAh/g gehalten werden, und der Coulomb-Wirkungsgrad liegt bei nahezu 99,9 %.

3, Fazit

Als Bindemittel kann CMC-Material in verschiedenen Arten von Elektrodenmaterialien wie natürlichem Graphit, Mesophasen-Kohlenstoffmikrosphären (MCMB), Lithiumtitanat, Anodenmaterial auf Zinnbasis und Siliziumbasis sowie Lithiumeisenphosphat-Anodenmaterial verwendet werden, was die Batterie verbessern kann Kapazität, Zyklenstabilität und Zyklenlebensdauer im Vergleich zu pYDF. Es wirkt sich positiv auf die thermische Stabilität, die elektrische Leitfähigkeit und die elektrochemischen Eigenschaften von CMC-Materialien aus. Es gibt zwei Hauptmechanismen für CMC, um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern:

(1) Die stabile Bindungsleistung von CMC schafft eine notwendige Voraussetzung für die Erzielung einer stabilen Batterieleistung;

(2) CMC hat eine gute Elektronen- und Ionenleitfähigkeit und kann den Li-Transfer fördern