Penggunaan CMC dalam industri baterai

Apa itu selulosa natrium karboksimetil?

Sodium karboksimetil selulosa, (juga disebut: garam natrium selulosa karboksimetil, karboksimetil selulosa, CMC, karboksimetil, selulosisodium, natriumsaltofcaboxymethylcellulose) adalah jenis serat yang paling banyak digunakan di dunia, dosis maksimum.

CMC-NA adalah turunan selulosa dengan tingkat polimerisasi 100 ~ 2000 dan berat molekul 242,16. Bubuk berserat atau granular putih. Tanpa berbau, hambar, hambar, higroskopis, tidak larut dalam pelarut organik. Makalah ini terutama untuk memahami penerapan natrium karboksimetil selulosa dalam detail baterai ion lithium.

Kemajuan dalam penerapan natrium karboksimetil selulosa CMCdalam baterai ion lithium

Saat ini, polyvinyliden fluoride [PVDF, (CH: A CF :)] banyak digunakan sebagai pengikat dalam produksi baterai ion lithium. . PVDF tidak hanya mahal, juga perlu digunakan dalam proses penerapan bahan peledak, ramah terhadap lingkungan pelarut organik, seperti n metil yang alkane keton (NMP) dan persyaratan kelembaban udara untuk proses produksi secara ketat, juga dengan mudah dengan tertanam Litium logam, reaksi sekunder lithium grafit, terutama dalam kondisi suhu tinggi, risiko spontan dari pelarian termal. Sodium carboxymethyl cellulose (CMC), pengikat yang larut dalam air, digunakan sebagai pengganti PVDF untuk bahan elektroda, yang dapat menghindari penggunaan NMP, mengurangi biaya dan mengurangi polusi lingkungan. Pada saat yang sama, proses produksi tidak memerlukan kelembaban lingkungan, tetapi juga dapat meningkatkan kapasitas baterai, memperpanjang umur siklus. Dalam makalah ini, peran CMC dalam kinerja baterai ion lithium ditinjau, dan mekanisme CMC meningkatkan kinerja baterai dirangkum dari aspek stabilitas termal, konduktivitas listrik dan karakteristik elektrokimia.

1. Struktur dan kinerja CMC

1) Struktur CMC

CMC umumnya diklasifikasikan oleh berbagai tingkat substitusi (DS), dan morfologi dan kinerja produk sangat dipengaruhi oleh DS. LXIE et al. mempelajari CMC dengan DS dari pasangan H NA yang berbeda. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa CMC-LI-1 (DS = 1,00) menyajikan struktur granular, dan CMC-LI-2 (DS = 0,62) menyajikan struktur linier. Penelitian M. E et al membuktikan bahwa CMC. Styrene Butadiene Rubber (SBR) dapat menghambat aglomerasi Li: O dan menstabilkan struktur antarmuka, yang bermanfaat bagi kinerja elektrokimia.

2) Kinerja CMC

2.1)Stabilitas termal

ZJ Han et al. mempelajari stabilitas termal dari binder yang berbeda. Suhu kritis PVDF adalah sekitar 4500C. Saat mencapai 500 ℃, dekomposisi cepat terjadi dan massa berkurang sekitar 70%. Ketika suhu mencapai 600 ℃, massa lebih berkurang 70%. Ketika suhu mencapai 300oC, massa CMC-LI berkurang 70%. Ketika suhu mencapai 400 ℃, massa CMC-LI berkurang 10%. CMCLI lebih mudah terurai daripada PVDF di akhir masa pakai baterai.

2.2)Konduktivitas listrik

S. Chou et al. Hasil tes menunjukkan bahwa resistivitas CMCLI-1, CMC-LI-2 dan PVDF masing-masing adalah 0,3154 mn · m dan 0,2634 mN. M dan 20.0365 mn · m, menunjukkan bahwa resistivitas PVDF lebih tinggi daripada CMCLI, konduktivitas CMC-LI lebih baik daripada PVDF, dan konduktivitas CMCLI.1 lebih rendah daripada CMCLI.2.

2.3)Kinerja elektrokimia

FM Courtel et al. mempelajari kurva voltametri siklik dari elektroda berbasis poli-sulfonat (AQ) ketika binderswere yang berbeda digunakan. Pengikat yang berbeda memiliki reaksi oksidasi dan reduksi yang berbeda, sehingga potensi puncaknya berbeda. Di antara mereka, potensi oksidasi CMCLI adalah 2.15V, dan potensi reduksi adalah 2.55V. Potensi oksidasi dan potensi reduksi PVDF masing -masing adalah 2,605 V dan 1,950 V. Dibandingkan dengan kurva voltametri siklik dari dua kali sebelumnya, perbedaan potensial puncak dari puncak reduksi oksidasi ketika pengikat CMCLI digunakan lebih kecil daripada ketika PVDF digunakan, menunjukkan bahwa reaksi kurang terhambat dan pengikat CMCLI lebih kondusif untuk Terjadinya reaksi reduksi oksidasi.

2. Efek aplikasi dan mekanisme CMC

1) Efek aplikasi

PJ Suo et al. mempelajari kinerja elektrokimia bahan komposit Si/C ketika PVDF dan CMC digunakan sebagai pengikat, dan menemukan bahwa baterai menggunakan CMC memiliki kapasitas spesifik reversibel 700mAh/g untuk pertama kalinya dan masih memiliki 597mAh/g setelah siklus 4o, yang, yang, yang, yang, yang 4o, yang, lebih unggul dari baterai menggunakan PVDF. JH Lee et al. mempelajari pengaruh DS CMC pada stabilitas suspensi grafit dan percaya bahwa kualitas cairan suspensi ditentukan oleh DS. Pada DS rendah, CMC memiliki sifat hidrofobik yang kuat, dan dapat meningkatkan reaksi dengan permukaan grafit ketika air digunakan sebagai media. CMC juga memiliki keunggulan dalam menjaga stabilitas sifat siklik bahan anoda paduan silikon - timah. Elektroda NIO disiapkan dengan konsentrasi yang berbeda (0,1moul, 0,3mol/L dan 0,5mol/L) CMC dan pengikat PVDF, dan diisi dan dikeluarkan pada 1,5-3,5V dengan arus 0,1C. Selama siklus pertama, kapasitas sel pengikat PVDF lebih tinggi daripada sel pengikat CMC. Ketika jumlah siklus mencapai LO, kapasitas pelepasan pengikat PVDF menurun dengan jelas. After 4JD cycles, the specific discharge capacities of 0.1movL, 0.3MOUL and 0.5MovLPVDF binders decreased to 250mAh/g, 157mAtv 'g and 102mAh/g, respectively: The discharge specific capacities of batteries with 0.1 moL/L, 0.3 moL/L dan pengikat 0,5 mol/LCMC disimpan pada 698mAh/g, 555mAh/g dan 550mAh/g, masing -masing.

Binder CMC digunakan pada LITI0. : dan nanopartikel SNO2 dalam produksi industri. Menggunakan CMC sebagai pengikat, LIFEPO4 dan LI4TI50L2 sebagai bahan aktif positif dan negatif, masing -masing, dan menggunakan Pyr14FS1 sebagai elektrolit tahan api, baterai bersepeda 150 kali pada arus 0,1C pada 1,5V ~ 3,5V pada suhu, dan positif positif Kapasitansi dipertahankan pada 140mAh/g. Di antara berbagai garam logam dalam CMC, CMCLI memperkenalkan ion logam lainnya, yang dapat menghambat "reaksi pertukaran (VII)" dalam elektrolit selama sirkulasi.

2) Mekanisme Peningkatan Kinerja

CMC LI Binder dapat meningkatkan kinerja elektrokimia elektroda dasar AQ dalam baterai lithium. M. E et al. -4 melakukan studi pendahuluan tentang mekanisme dan mengusulkan model distribusi CMC-LI dalam elektroda AQ. Kinerja CMCLI yang baik berasal dari efek ikatan yang kuat dari ikatan hidrogen yang dihasilkan oleh OH, yang berkontribusi pada pembentukan struktur mesh yang efisien. CMC-LI hidrofilik tidak akan larut dalam elektrolit organik, sehingga memiliki stabilitas yang baik dalam baterai, dan memiliki adhesi yang kuat pada struktur elektroda, yang membuat baterai memiliki stabilitas yang baik. Binder CMC-LI memiliki konduktivitas Li yang baik karena ada sejumlah besar gugus fungsional pada rantai molekul CMC-LI. Selama pelepasan, ada dua sumber zat efektif yang bertindak dengan Li: (1) Li dalam elektrolit; (2) Li pada rantai molekul CMC-LI di dekat pusat efektif zat aktif.

Reaksi gugus hidroksil dan gugus hidroksil dalam pengikat carboxymethyl CMC-LI akan membentuk ikatan kovalen; Di bawah aksi gaya medan listrik, U dapat ditransfer pada rantai molekul atau rantai molekul yang berdekatan, yaitu, struktur rantai molekul tidak akan rusak; Akhirnya, LJ akan terikat pada partikel AQ. Ini menunjukkan bahwa penerapan CMCLI tidak hanya meningkatkan efisiensi transfer LI, tetapi juga meningkatkan tingkat pemanfaatan AQ. Semakin tinggi kandungan ch: cooli dan 10li dalam rantai molekul, semakin mudah transfer Li. M. Arrmand et al. percaya bahwa senyawa organik -COOH atau OH dapat bereaksi dengan 1 Li masing -masing dan menghasilkan 1 C00LI atau 1 0LI pada potensi rendah. Untuk mengeksplorasi lebih lanjut mekanisme pengikat CMCLI dalam elektroda, CMC-LI-1 digunakan sebagai bahan aktif dan kesimpulan serupa diperoleh. Li bereaksi dengan satu ch, coOH dan satu 0h dari cmc li dan menghasilkan ch: cooli dan satu 0 “masing -masing, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan (1) dan (2)

Ketika jumlah CH, Cooli, dan Oli meningkat, DS CMC-LI meningkat. Ini menunjukkan bahwa lapisan organik yang sebagian besar terdiri dari pengikat permukaan partikel aq menjadi lebih stabil dan lebih mudah untuk ditransfer LI. CMCLI adalah polimer konduktif yang menyediakan rute transportasi untuk LI untuk mencapai permukaan partikel AQ. Pengikat CMCLI memiliki konduktivitas elektronik dan ionik yang baik, yang menghasilkan kinerja elektrokimia yang baik dan umur siklus panjang elektroda CMCLI. JS Bridel et al. Siapkan anoda baterai ion lithium menggunakan bahan komposit silikon/karbon/polimer dengan pengikat yang berbeda untuk mempelajari pengaruh interaksi antara silikon dan polimer pada kinerja keseluruhan baterai, dan menemukan bahwa CMC memiliki kinerja terbaik ketika digunakan sebagai pengikat. Ada ikatan hidrogen yang kuat antara silikon dan CMC, yang memiliki kemampuan penyembuhan diri dan dapat menyesuaikan peningkatan tegangan material selama proses bersepeda untuk menjaga stabilitas struktur material. Dengan CMC sebagai pengikat, kapasitas anoda silikon dapat dijaga di atas 1000mAh/g dalam setidaknya 100 siklus, dan efisiensi Coulomb mendekati 99,9%.

3, kesimpulan

Sebagai pengikat, bahan CMC dapat digunakan dalam berbagai jenis bahan elektroda seperti grafit alami, mikrosfer karbon fase meso-fase (MCMB), lithium titanate, bahan anoda berbasis silikon timah dan bahan anoda lithium besi fosfat, yang dapat meningkatkan baterai, baterai Kapasitas, stabilitas siklus dan kehidupan siklus dibandingkan dengan PYDF. Ini bermanfaat bagi stabilitas termal, konduktivitas listrik dan sifat elektrokimia dari bahan CMC. Ada dua mekanisme utama untuk CMC untuk meningkatkan kinerja baterai ion lithium:

(1) kinerja ikatan CMC yang stabil menciptakan prasyarat yang diperlukan untuk mendapatkan kinerja baterai yang stabil;

(2) CMC memiliki konduktivitas elektron dan ion yang baik dan dapat mempromosikan transfer LI