Usos de CMC en la industria de baterías

¿Qué es la carboximetilcelulosa sódica??

La carboximetilcelulosa de sodio (también llamada: sal sódica de carboximetilcelulosa, carboximetilcelulosa, CMC, carboximetilcelulosa, sodio, sal sódica de caboximetilcelulosa) es el tipo de fibra más utilizado en el mundo, en dosis máxima.

Cmc-na es un derivado de celulosa con un grado de polimerización de 100~2000 y un peso molecular de 242,16. Polvo fibroso o granular blanco. Inodoro, insípido, insípido, higroscópico, insoluble en disolventes orgánicos. Este artículo tiene como objetivo principal comprender la aplicación de la carboximetilcelulosa de sodio en los detalles de las baterías de iones de litio.

Avances en la aplicación de la carboximetilcelulosa sódica CMCen baterías de iones de litio

En la actualidad, el fluoruro de polivinilideno [pVDF, (CH:A CF:)] se utiliza ampliamente como aglutinante en la producción de baterías de iones de litio. . El PVDF no solo es costoso, también debe usarse en el proceso de aplicación de solventes orgánicos explosivos y respetuosos con el medio ambiente, como N metil, que cumple estrictamente con los requisitos de alcanocetona (NMp) y humedad del aire para el proceso de producción, y también se integra fácilmente con Metal litio, reacción secundaria de grafito de litio, especialmente en condiciones de alta temperatura, un riesgo espontáneo de fuga térmica. La carboximetilcelulosa sódica (CMC), un aglutinante soluble en agua, se utiliza como sustituto del pVDF para materiales de electrodos, lo que puede evitar el uso de NMp, reducir costos y reducir la contaminación ambiental. Al mismo tiempo, el proceso de producción no requiere humedad ambiental, pero también puede mejorar la capacidad de la batería y prolongar el ciclo de vida. En este artículo, se revisó el papel de la CMC en el rendimiento de la batería de iones de litio y se resumió el mecanismo por el cual la CMC mejora el rendimiento de la batería a partir de los aspectos de estabilidad térmica, conductividad eléctrica y características electroquímicas.

1. Estructura y desempeño del CMC

1) estructura CMC

La CMC generalmente se clasifica según diferentes grados de sustitución (D), y la morfología y el rendimiento del producto se ven muy afectados por los D. LXie et al. Estudió THE CMC con D de diferentes pares H de Na. Los resultados del análisis SEM mostraron que CMC-Li-1 (Ds = 1,00) presentó estructura granular y CMC-Li-2 (Ds = 0,62) presentó estructura lineal. La investigación de M. E et al demostró que CMC. El caucho de estireno butadieno (SBR) puede inhibir la aglomeración de Li: O y estabilizar la estructura de la interfaz, lo que es beneficioso para el rendimiento electroquímico.

2) rendimiento del CMC

2.1 )Estabilidad térmica

Zj Han et al. Estudió la estabilidad térmica de diferentes aglutinantes. La temperatura crítica del pVDF es de aproximadamente 4500 °C. Al alcanzar los 500 ℃, se produce una rápida descomposición y la masa se reduce en aproximadamente un 70%. Cuando la temperatura alcanzó los 600 ℃, la masa se redujo aún más en un 70%. Cuando la temperatura alcanzó los 300°C, la masa de CMC-Li se redujo en un 70%. Cuando la temperatura alcanzó los 400 ℃, la masa de CMC-Li se redujo en un 10%. CMCLi se descompone más fácilmente que pVDF al final de la vida útil de la batería.

2.2 )La conductividad eléctrica

S. Chou y col. Los resultados de las pruebas mostraron que la resistividad de CMCLI-1, CMC-Li-2 y pVDF fueron 0,3154 Mn · my 0,2634 Mn, respectivamente. M y 20,0365 Mn·m, lo que indica que la resistividad de pVDF es mayor que la de CMCLi, la conductividad de CMC-LI es mejor que la de pVDF y la conductividad de CMCLI.1 es menor que la de CMCLI.2.

2.3)Rendimiento electroquímico

FM Courtel et al. estudiaron las curvas de voltametría cíclica de electrodos basados ​​en polisulfonato (AQ) cuando se utilizaron diferentes aglutinantes. Diferentes aglutinantes tienen diferentes reacciones de oxidación y reducción, por lo que el potencial máximo es diferente. Entre ellos, el potencial de oxidación de CMCLi es 2,15 V y el potencial de reducción es 2,55 V. El potencial de oxidación y el potencial de reducción del pVDF fueron 2,605 V y 1,950 V respectivamente. En comparación con las curvas de voltametría cíclica de las dos veces anteriores, la diferencia de potencial máxima del pico de oxidación-reducción cuando se usó el aglutinante CMCLi fue menor que cuando se usó pVDF, lo que indica que la reacción se vio menos obstaculizada y el aglutinante CMCLi fue más propicio para la aparición de la reacción de oxidación-reducción.

2. Efecto de aplicación y mecanismo de CMC.

1) efecto de aplicación

Pj Suo et al. estudió el rendimiento electroquímico de los materiales compuestos de Si/C cuando se utilizaron pVDF y CMC como aglutinantes, y descubrió que la batería que utilizaba CMC tenía una capacidad específica reversible de 700 mAh/g por primera vez y todavía tenía 597 mAh/g después de 40 ciclos, lo que fue superior a la batería que utiliza pVDF. Jh Lee et al. estudió la influencia de Ds de CMC en la estabilidad de la suspensión de grafito y creyó que la calidad líquida de la suspensión estaba determinada por Ds. A baja DS, la CMC tiene fuertes propiedades hidrófobas y puede aumentar la reacción con la superficie del grafito cuando se utiliza agua como medio. CMC también tiene ventajas en el mantenimiento de la estabilidad de las propiedades cíclicas de los materiales anódicos de aleación de silicio y estaño. Los electrodos de NiO se prepararon con diferentes concentraciones (0,1 mouL, 0,3 mol/L y 0,5 mol/L) de CMC y pVDF, y se cargaron y descargaron a 1,5-3,5 V con una corriente de 0,1c. Durante el primer ciclo, la capacidad de la célula aglutinante de pVDF fue mayor que la de la célula aglutinante de CMC. Cuando el número de ciclos alcanza 10, la capacidad de descarga del aglutinante pVDF disminuye obviamente. Después de ciclos de 4JD, las capacidades de descarga específicas de los aglutinantes de 0,1 movL, 0,3 MOUL y 0,5 MovLPVDF disminuyeron a 250 mAh/g, 157 mAtv 'g y 102 mAh/g, respectivamente: Las capacidades de descarga específicas de las baterías con 0,1 mol/L, 0,3 mol/L y 0,5 mol/LCMC de aglutinante se mantuvieron a 698 mAh/g, 555 mAh/g y 550 mAh/g, respectivamente.

El aglutinante CMC se utiliza en LiTI0. : y nanopartículas de SnO2 en la producción industrial. Usando CMC como aglutinante, LiFepO4 y Li4TI50l2 como materiales activos positivos y negativos, respectivamente, y usando pYR14FS1 como electrolito retardante de llama, la batería se cicló 150 veces a una corriente de 0,1 c a 1,5 v ~ 3,5 V a temperatura, y el positivo específico la capacitancia se mantuvo en 140 mAh/g. Entre varias sales metálicas en CMC, CMCLi introduce otros iones metálicos que pueden inhibir la "reacción de intercambio (vii)" en el electrolito durante la circulación.

2) Mecanismo de mejora del desempeño

El aglutinante CMC Li puede mejorar el rendimiento electroquímico del electrodo base AQ en la batería de litio. ME et al. -4 realizó un estudio preliminar sobre el mecanismo y propuso un modelo de distribución de CMC-Li en el electrodo AQ. El buen desempeño de CMCLi proviene del fuerte efecto de enlace de los enlaces de hidrógeno producidos por un OH, lo que contribuye a la formación eficiente de estructuras de malla. El CMC-Li hidrofílico no se disolverá en el electrolito orgánico, por lo que tiene una buena estabilidad en la batería y una fuerte adhesión a la estructura del electrodo, lo que hace que la batería tenga una buena estabilidad. El aglutinante Cmc-li tiene buena conductividad de Li porque hay una gran cantidad de grupos funcionales en la cadena molecular de CMC-Li. Durante la descarga, hay dos fuentes de sustancias eficaces que actúan con Li: (1) Li en el electrolito; (2) Li en la cadena molecular de CMC-Li cerca del centro eficaz de la sustancia activa.

La reacción del grupo hidroxilo y el grupo hidroxilo en el aglutinante carboximetil CMC-Li formará un enlace covalente; Bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico, U puede transferirse a la cadena molecular o a la cadena molecular adyacente, es decir, la estructura de la cadena molecular no se dañará; Finalmente, Lj se unirá a la partícula AQ. Esto indica que la aplicación de CMCLi no sólo mejora la eficiencia de transferencia de Li, sino que también mejora la tasa de utilización de AQ. Cuanto mayor sea el contenido de cH:COOLi y 10Li en la cadena molecular, más fácil será la transferencia de Li. M. Arrmand y col. Se creía que los compuestos orgánicos de -COOH u OH podrían reaccionar con 1 Li respectivamente y producir 1 C00Li o 1 0Li a bajo potencial. Para explorar más a fondo el mecanismo del aglutinante CMCLi en el electrodo, se utilizó CMC-Li-1 como material activo y se obtuvieron conclusiones similares. Li reacciona con un cH, COOH y un 0H del CMC Li y genera cH:COOLi y un 0” respectivamente, como se muestra en las ecuaciones (1) y (2)

A medida que aumenta el número de cH, COOLi y OLi, aumenta el DS de CMC-Li. Esto muestra que la capa orgánica compuesta principalmente de aglutinante de superficie de partículas de AQ se vuelve más estable y más fácil de transferir Li. CMCLi es un polímero conductor que proporciona una ruta de transporte para que el Li alcance la superficie de las partículas de AQ. Los aglutinantes CMCLi tienen buena conductividad electrónica e iónica, lo que da como resultado un buen rendimiento electroquímico y un ciclo de vida prolongado de los electrodos CMCLi. JS Bridel y cols. preparó el ánodo de una batería de iones de litio utilizando materiales compuestos de silicio/carbono/polímero con diferentes aglutinantes para estudiar la influencia de la interacción entre el silicio y el polímero en el rendimiento general de la batería, y descubrió que CMC tenía el mejor rendimiento cuando se usaba como aglutinante. Existe un fuerte enlace de hidrógeno entre el silicio y la CMC, que tiene capacidad de autocuración y puede ajustar la tensión creciente del material durante el proceso cíclico para mantener la estabilidad de la estructura del material. Con CMC como aglutinante, la capacidad del ánodo de silicio se puede mantener por encima de 1000 mAh/g en al menos 100 ciclos y la eficiencia de culombio es cercana al 99,9 %.

3, conclusión

Como aglutinante, el material CMC se puede utilizar en diferentes tipos de materiales de electrodos, como grafito natural, microesferas de carbono mesofásicas (MCMB), titanato de litio, material de ánodo a base de silicio a base de estaño y material de ánodo de fosfato de hierro y litio, que pueden mejorar la batería. capacidad, estabilidad del ciclo y vida útil en comparación con pYDF. Es beneficioso para la estabilidad térmica, la conductividad eléctrica y las propiedades electroquímicas de los materiales CMC. Existen dos mecanismos principales para que CMC mejore el rendimiento de las baterías de iones de litio:

(1) El rendimiento de unión estable de CMC crea un requisito previo necesario para obtener un rendimiento estable de la batería;

(2) CMC tiene buena conductividad de electrones e iones y puede promover la transferencia de Li.