Το CMC χρησιμοποιεί στη βιομηχανία μπαταριών

Τι είναι η καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη νατρίου?

Η καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη νατρίου, (ονομάζεται επίσης: άλας νατρίου καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης, καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη, CMC, καρβοξυμεθύλιο, κυτταρίνη νάτριο, άλας νατρίου άλατοςCaboxyMethylCellulose) είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι τύποι ινών στον κόσμο, με μέγιστη δοσολογία.

Το Cmc-na είναι ένα παράγωγο κυτταρίνης με βαθμό πολυμερισμού 100~2000 και μοριακό βάρος 242,16. Λευκή ινώδης ή κοκκώδης σκόνη. Άοσμο, άγευστο, άγευστο, υγροσκοπικό, αδιάλυτο σε οργανικούς διαλύτες. Αυτή η εργασία κυρίως για την κατανόηση της εφαρμογής της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης νατρίου σε λεπτομέρειες μπαταρίας ιόντων λιθίου.

Πρόοδος στην εφαρμογή της νατριούχου καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης CMCσε μπαταρίες ιόντων λιθίου

Επί του παρόντος, το φθοριούχο πολυβινυλιδένιο [pVDF, (CH: A CF:)] χρησιμοποιείται ευρέως ως συνδετικό υλικό στην παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου. . Το PVDF δεν είναι μόνο ακριβό, αλλά πρέπει επίσης να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία εφαρμογής εκρηκτικών, φιλικών προς το περιβάλλον οργανικών διαλυτών, όπως το Ν μεθύλιο που η αλκανική κετόνη (NMp) και οι απαιτήσεις υγρασίας αέρα για τη διαδικασία παραγωγής αυστηρά, επίσης εύκολα με ενσωματωμένο μεταλλικό λίθιο, δευτερογενής αντίδραση γραφίτη λιθίου, ειδικά σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, αυθόρμητος κίνδυνος θερμικής διαφυγής. Το νάτριο καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη (CMC), ένα υδατοδιαλυτό συνδετικό, χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του pVDF για υλικά ηλεκτροδίων, το οποίο μπορεί να αποφύγει τη χρήση NMp, να μειώσει το κόστος και να μειώσει τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Ταυτόχρονα, η διαδικασία παραγωγής δεν απαιτεί περιβαλλοντική υγρασία, αλλά μπορεί επίσης να βελτιώσει την χωρητικότητα της μπαταρίας, να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του κύκλου. Σε αυτό το άρθρο, εξετάστηκε ο ρόλος του CMC στην απόδοση της μπαταρίας ιόντων λιθίου και ο μηχανισμός της βελτίωσης της απόδοσης της μπαταρίας CMC συνοψίστηκε από τις πτυχές της θερμικής σταθερότητας, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και των ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών.

1. Δομή και απόδοση της CMC

1) Δομή CMC

Το CMC ταξινομείται γενικά με διαφορετικό βαθμό υποκατάστασης (Ds) και η μορφολογία και η απόδοση του προϊόντος επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τα Ds. LXie et al. μελέτησε THE CMC με Ds διαφορετικών ζευγών H Na. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης SEM έδειξαν ότι το CMC-Li-1 (Ds = 1,00) παρουσίαζε κοκκώδη δομή και το CMC-Li-2 (Ds = 0,62) παρουσίαζε γραμμική δομή. Η έρευνα των M. E et al απέδειξε ότι το CMC. Το καουτσούκ στυρενίου βουταδιενίου (SBR) μπορεί να αναστείλει τη συσσωμάτωση του Li: O και να σταθεροποιήσει τη δομή της διεπαφής, η οποία είναι ευεργετική για την ηλεκτροχημική απόδοση.

2) Απόδοση CMC

2.1 )Θερμική σταθερότητα

Οι Zj Han et al. μελέτησε τη θερμική σταθερότητα διαφορετικών συνδετικών. Η κρίσιμη θερμοκρασία του pVDF είναι περίπου 4500C. Όταν φτάσετε στους 500 ℃, εμφανίζεται ταχεία αποσύνθεση και η μάζα μειώνεται κατά περίπου 70%. Όταν η θερμοκρασία έφτασε τους 600 ℃, η μάζα μειώθηκε περαιτέρω κατά 70%. Όταν η θερμοκρασία έφτασε τους 300oC, η μάζα του CMC-Li μειώθηκε κατά 70%. Όταν η θερμοκρασία έφτασε τους 400℃, η μάζα του CMC-Li μειώθηκε κατά 10%. Το CMCLi αποσυντίθεται πιο εύκολα από το pVDF στο τέλος της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.

2.2 )Η ηλεκτρική αγωγιμότητα

Οι S. Chou et al. Τα αποτελέσματα των δοκιμών έδειξαν ότι η ειδική αντίσταση των CMCLI-1, CMC-Li-2 και pVDF ήταν 0,3154 Mn·m και 0,2634 Mn, αντίστοιχα. M και 20,0365 Mn·m, υποδεικνύοντας ότι η ειδική αντίσταση του pVDF είναι υψηλότερη από αυτή του CMCLi, η αγωγιμότητα του CMC-LI είναι καλύτερη από αυτή του pVDF και η αγωγιμότητα του CMCLI.1 είναι χαμηλότερη από αυτή του CMCLI.2.

2.3)Ηλεκτροχημική απόδοση

FM Courtel et al. μελέτησε τις καμπύλες κυκλικής βολταμετρίας ηλεκτροδίων με βάση πολυσουλφονικό (AQ) όταν χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικά συνδετικά. Διαφορετικά συνδετικά έχουν διαφορετικές αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής, επομένως το δυναμικό κορυφής είναι διαφορετικό. Μεταξύ αυτών, το δυναμικό οξείδωσης του CMCLi είναι 2,15 V και το δυναμικό αναγωγής είναι 2,55 V. Το δυναμικό οξείδωσης και το δυναμικό αναγωγής του pVDF ήταν 2.605 V και 1.950 V αντίστοιχα. Σε σύγκριση με τις καμπύλες κυκλικής βολταμετρίας των προηγούμενων δύο φορές, η διαφορά δυναμικού κορυφής της κορυφής οξείδωσης-μείωσης όταν χρησιμοποιήθηκε συνδετικό CMCLi ήταν μικρότερη από εκείνη όταν χρησιμοποιήθηκε pVDF, υποδεικνύοντας ότι η αντίδραση παρεμποδίστηκε λιγότερο και το συνδετικό CMCLi ήταν πιο ευνοϊκό για την εμφάνιση της αντίδρασης οξείδωσης-αναγωγής.

2. Εφέ εφαρμογής και μηχανισμός CMC

1) Εφέ εφαρμογής

Οι Pj Suo et al. μελέτησε την ηλεκτροχημική απόδοση των σύνθετων υλικών Si/C όταν τα pVDF και CMC χρησιμοποιήθηκαν ως συνδετικά και διαπίστωσε ότι η μπαταρία που χρησιμοποιούσε CMC είχε αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα 700mAh/g για πρώτη φορά και είχε ακόμα 597mAh/g μετά από κύκλους 4O, η οποία ήταν ανώτερη από την μπαταρία που χρησιμοποιεί pVDF. Οι Jh Lee et al. μελέτησε την επίδραση των Ds του CMC στη σταθερότητα του εναιωρήματος γραφίτη και πίστευε ότι η υγρή ποιότητα του εναιωρήματος προσδιορίστηκε από το Ds. Σε χαμηλό DS, το CMC έχει ισχυρές υδρόφοβες ιδιότητες και μπορεί να αυξήσει την αντίδραση με την επιφάνεια γραφίτη όταν το νερό χρησιμοποιείται ως μέσο. Το CMC έχει επίσης πλεονεκτήματα στη διατήρηση της σταθερότητας των κυκλικών ιδιοτήτων των υλικών ανόδου από κράμα πυριτίου – κασσίτερου. Τα ηλεκτρόδια NiO παρασκευάστηκαν με διαφορετικές συγκεντρώσεις (0,1mouL, 0,3mol/L και 0,5mol/L) CMC και pVDF συνδετικό, και φορτίστηκαν και εκφορτίστηκαν στα 1,5-3,5V με ρεύμα 0,1c. Κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου, η χωρητικότητα του συνδετικού στοιχείου pVDF ήταν υψηλότερη από εκείνη του συνδετικού στοιχείου CMC. Όταν ο αριθμός των κύκλων φτάσει στο lO, η ικανότητα εκφόρτισης του συνδετικού pVDF μειώνεται προφανώς. Μετά από κύκλους 4JD, οι ειδικές χωρητικότητες εκφόρτισης των συνδετικών 0,1movL, 0,3MOUL και 0,5MovLPVDF μειώθηκαν σε 250mAh/g, 157mAtv'g και 102mAh/g, αντίστοιχα: Οι ειδικές χωρητικότητες εκφόρτισης των μπαταριών 10L/3,0L με . και 0,5 Το συνδετικό moL/LCMC διατηρήθηκε στα 698 mAh/g, 555 mAh/g και 550 mAh/g, αντίστοιχα.

Το συνδετικό CMC χρησιμοποιείται στο LiTI0. : και νανοσωματίδια SnO2 στη βιομηχανική παραγωγή. Χρησιμοποιώντας CMC ως συνδετικό υλικό, LiFepO4 και Li4TI50l2 ως θετικά και αρνητικά ενεργά υλικά, αντίστοιχα, και χρησιμοποιώντας pYR14FS1 ως επιβραδυντικό φλόγας ηλεκτρολύτη, η μπαταρία ανακυκλώθηκε 150 φορές με ρεύμα 0,1c στα 1,5v ~ 3,5V σε θερμοκρασία, και η ειδική θετική Η χωρητικότητα διατηρήθηκε στα 140 mAh/g. Μεταξύ των διαφόρων μεταλλικών αλάτων στο CMC, το CMCLi εισάγει άλλα ιόντα μετάλλων, τα οποία μπορούν να αναστείλουν την «αντίδραση ανταλλαγής (vii)» στον ηλεκτρολύτη κατά τη διάρκεια της κυκλοφορίας.

2) Μηχανισμός βελτίωσης της απόδοσης

Το συνδετικό CMC Li μπορεί να βελτιώσει την ηλεκτροχημική απόδοση του ηλεκτροδίου βάσης AQ σε μπαταρία λιθίου. Μ. Ε et al. -4 πραγματοποίησε μια προκαταρκτική μελέτη για τον μηχανισμό και πρότεινε ένα μοντέλο κατανομής του CMC-Li στο ηλεκτρόδιο AQ. Η καλή απόδοση του CMCLi προέρχεται από το ισχυρό δεσμευτικό αποτέλεσμα των δεσμών υδρογόνου που παράγονται από ένα ΟΗ, το οποίο συμβάλλει στον αποτελεσματικό σχηματισμό δομών πλέγματος. Το υδρόφιλο CMC-Li δεν θα διαλυθεί στον οργανικό ηλεκτρολύτη, επομένως έχει καλή σταθερότητα στην μπαταρία και έχει ισχυρή πρόσφυση στη δομή του ηλεκτροδίου, γεγονός που κάνει την μπαταρία να έχει καλή σταθερότητα. Το συνδετικό Cmc-li έχει καλή αγωγιμότητα Li επειδή υπάρχει μεγάλος αριθμός λειτουργικών ομάδων στη μοριακή αλυσίδα του CMC-Li. Κατά την εκκένωση, υπάρχουν δύο πηγές αποτελεσματικών ουσιών που δρουν με το Li: (1) Li στον ηλεκτρολύτη. (2) Li στη μοριακή αλυσίδα του CMC-Li κοντά στο ενεργό κέντρο της δραστικής ουσίας.

Η αντίδραση της ομάδας υδροξυλίου και της ομάδας υδροξυλίου σε συνδετικό καρβοξυμεθυλ CMC-Li θα σχηματίσει ομοιοπολικό δεσμό. Κάτω από τη δράση της δύναμης ηλεκτρικού πεδίου, το U μπορεί να μεταφερθεί στη μοριακή αλυσίδα ή στη γειτονική μοριακή αλυσίδα, δηλαδή, η δομή της μοριακής αλυσίδας δεν θα καταστραφεί. Τελικά, ο Lj θα συνδεθεί με το σωματίδιο AQ. Αυτό δείχνει ότι η εφαρμογή του CMCLi όχι μόνο βελτιώνει την αποτελεσματικότητα μεταφοράς του Li, αλλά βελτιώνει επίσης το ποσοστό χρήσης του AQ. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε cH: COOLi και 10 Li στη μοριακή αλυσίδα, τόσο πιο εύκολη η μεταφορά του Li. Οι Μ. Arrmand et al. πίστευαν ότι οι οργανικές ενώσεις του -COOH ή του ΟΗ μπορούσαν να αντιδράσουν με 1 Li αντίστοιχα και να παράγουν 1 C00Li ή 1 0Li σε χαμηλό δυναμικό. Προκειμένου να διερευνηθεί περαιτέρω ο μηχανισμός του συνδετικού CMCLi στο ηλεκτρόδιο, χρησιμοποιήθηκε το CMC-Li-1 ως ενεργό υλικό και προέκυψαν παρόμοια συμπεράσματα. Το Li αντιδρά με ένα cH, COOH και ένα 0H από το CMC Li και παράγει cH: COOLi και ένα 0 "αντίστοιχα, όπως φαίνεται στις εξισώσεις (1) και (2)

Καθώς ο αριθμός των cH, COOLi και OLi αυξάνεται, το THE DS του CMC-Li αυξάνεται. Αυτό δείχνει ότι το οργανικό στρώμα που αποτελείται κυρίως από συνδετικό επιφάνειας σωματιδίων AQ γίνεται πιο σταθερό και ευκολότερο στη μεταφορά Li. Το CMCLi είναι ένα αγώγιμο πολυμερές που παρέχει μια οδό μεταφοράς για το Li να φτάσει στην επιφάνεια των σωματιδίων AQ. Τα συνδετικά CMCLi έχουν καλή ηλεκτρονική και ιοντική αγωγιμότητα, η οποία έχει ως αποτέλεσμα καλή ηλεκτροχημική απόδοση και μεγάλη διάρκεια ζωής των ηλεκτροδίων CMCLi. Οι JS Bridel et al. ετοίμασε την άνοδο της μπαταρίας ιόντων λιθίου χρησιμοποιώντας σύνθετα υλικά πυριτίου/άνθρακα/πολυμερούς με διαφορετικά συνδετικά για να μελετήσει την επίδραση της αλληλεπίδρασης πυριτίου και πολυμερούς στη συνολική απόδοση της μπαταρίας και διαπίστωσε ότι το CMC είχε την καλύτερη απόδοση όταν χρησιμοποιήθηκε ως συνδετικό. Υπάρχει ένας ισχυρός δεσμός υδρογόνου μεταξύ του πυριτίου και του CMC, ο οποίος έχει ικανότητα αυτο-ίασης και μπορεί να προσαρμόσει την αυξανόμενη πίεση του υλικού κατά τη διαδικασία ανακύκλωσης για να διατηρήσει τη σταθερότητα της δομής του υλικού. Με το CMC ως συνδετικό, η χωρητικότητα της ανόδου του πυριτίου μπορεί να διατηρηθεί πάνω από 1000mAh/g σε τουλάχιστον 100 κύκλους και η απόδοση του κουλόμπ είναι κοντά στο 99,9%.

3, συμπέρασμα

Ως συνδετικό υλικό, το υλικό CMC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς τύπους υλικών ηλεκτροδίων όπως φυσικό γραφίτη, μικροσφαιρίδια άνθρακα μεσοφάσης (MCMB), τιτανικό λίθιο, υλικό ανόδου με βάση τον κασσίτερο και υλικό ανόδου φωσφορικού σιδήρου λιθίου, που μπορεί να βελτιώσει την μπαταρία χωρητικότητα, σταθερότητα κύκλου και διάρκεια ζωής σε σύγκριση με το pYDF. Είναι ευεργετικό για τη θερμική σταθερότητα, την ηλεκτρική αγωγιμότητα και τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες των υλικών CMC. Υπάρχουν δύο κύριοι μηχανισμοί για το CMC για τη βελτίωση της απόδοσης των μπαταριών ιόντων λιθίου:

(1) Η σταθερή απόδοση συγκόλλησης του CMC δημιουργεί την απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη σταθερής απόδοσης μπαταρίας.

(2) Το CMC έχει καλή αγωγιμότητα ηλεκτρονίων και ιόντων και μπορεί να προωθήσει τη μεταφορά Li