Penggunaan CMC di Industri Baterai

Apa itu natrium karboksimetil selulosa?

Natrium Karboksimetil selulosa, (juga disebut: Garam natrium karboksimetil selulosa, Karboksimetil selulosa, CMC, Karboksimetil, Selulosa Natrium, SodiumsaltofCaboxyMethylCelulose) adalah jenis serat yang paling banyak digunakan di dunia, dengan dosis maksimum.

Cmc-na merupakan turunan selulosa dengan derajat polimerisasi 100~2000 dan berat molekul 242,16. Bubuk berserat putih atau butiran. Tidak berbau, tidak berasa, tidak berasa, higroskopis, tidak larut dalam pelarut organik. Makalah ini terutama untuk memahami penerapan natrium karboksimetil selulosa dalam detail baterai lithium ion.

Kemajuan dalam penerapan Natrium karboksimetil selulosa cmcdalam baterai litium ion

Saat ini, polivinilidena fluorida [pVDF, (CH: A CF:)] banyak digunakan sebagai pengikat dalam produksi baterai litium ion. . PVDF tidak hanya mahal, juga perlu digunakan dalam proses penerapan bahan peledak, ramah terhadap lingkungan pelarut organik, seperti N metil yang merupakan alkana keton (NMp) dan persyaratan kelembaban udara untuk proses produksi yang ketat, juga mudah dengan tertanam litium logam, reaksi sekunder litium grafit, terutama dalam kondisi suhu tinggi, risiko pelarian termal secara spontan. Natrium karboksimetil selulosa (CMC), pengikat yang larut dalam air, digunakan sebagai pengganti pVDF untuk bahan elektroda, yang dapat menghindari penggunaan NMp, mengurangi biaya dan mengurangi pencemaran 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 lithium ion 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 berdasarkan tingkat substitusi (Ds) yang berbeda, dan morfologi serta kinerja produk sangat dipengaruhi oleh Ds. LXie dkk. mempelajari THE CMC dengan Ds dari pasangan H Na yang berbeda. Hasil analisis SEM menunjukkan bahwa CMC-Li-1 (Ds = 1,00) menampilkan struktur granular, dan CMC-Li-2 (Ds = 0,62) menampilkan struktur linier. Penelitian M.E et al membuktikan bahwa CMC. Karet stirena butadiena (SBR) dapat menghambat aglomerasi Li: O dan menstabilkan struktur antarmuka, yang bermanfaat bagi kinerja elektrokimia.

2) kinerja CMC

2.1 )Stabilitas termal

Zj Han dkk. mempelajari stabilitas termal pengikat yang berbeda. Suhu kritis pVDF adalah sekitar 4500C. Ketika mencapai 500℃, terjadi dekomposisi cepat dan massa berkurang sekitar 70%. Ketika suhu mencapai 600℃, massa berkurang 70%. Ketika suhu mencapai 300oC, massa CMC-Li berkurang 70%. Ketika suhu mencapai 400℃, massa CMC-Li berkurang 10%. CMCLi lebih mudah terurai dibandingkan pVDF di akhir masa pakai baterai.

2.2)Konduktivitas listrik

S.Chou dkk. Hasil pengujian menunjukkan resistivitas CMCLI-1, CMC-Li-2 dan pVDF masing-masing sebesar 0,3154 Mn·m dan 0,2634 Mn. M dan 20,0365 Mn·m, menunjukkan bahwa resistivitas pVDF lebih tinggi dibandingkan CMCLi, konduktivitas CMC-LI lebih baik dibandingkan pVDF, dan konduktivitas CMCLI.1 lebih rendah dibandingkan CMCLI.2.

2.3)Kinerja elektrokimia

FM Courtel dkk. mempelajari kurva voltametri siklik elektroda berbasis poli-sulfonat (AQ) ketika pengikat yang berbeda digunakan. Pengikat yang berbeda mempunyai reaksi oksidasi dan reduksi yang berbeda, sehingga potensial puncaknya berbeda. Diantaranya, potensi oksidasi CMCLi adalah 2,15V, dan potensi reduksi adalah 2,55V. Potensi oksidasi dan potensi reduksi pVDF masing-masing sebesar 2,605 V dan 1,950 V. Dibandingkan dengan kurva voltametri siklik dua kali sebelumnya, beda potensial puncak puncak oksidasi-reduksi ketika menggunakan pengikat CMCLi lebih kecil dibandingkan ketika menggunakan pVDF, yang menunjukkan bahwa reaksinya lebih sedikit hambatannya dan pengikat CMCLi lebih kondusif untuk reaksi. terjadinya reaksi oksidasi-reduksi.

2. Efek penerapan dan mekanisme CMC

1) Efek aplikasi

Pj Suo dkk. mempelajari kinerja elektrokimia material komposit Si/C ketika pVDF dan CMC digunakan sebagai pengikat, dan menemukan bahwa baterai yang menggunakan CMC memiliki kapasitas spesifik reversibel sebesar 700mAh/g untuk pertama kalinya dan masih memiliki 597mAh/g setelah siklus 4O, yang lebih unggul dari baterai yang menggunakan pVDF. Jh Lee dkk. mempelajari pengaruh Ds CMC terhadap stabilitas suspensi grafit dan percaya bahwa kualitas cairan suspensi ditentukan oleh Ds. Pada DS rendah, CMC mempunyai sifat hidrofobik yang kuat, dan dapat meningkatkan reaksi dengan permukaan grafit ketika air digunakan sebagai media. CMC juga memiliki keunggulan dalam menjaga kestabilan sifat siklik bahan anoda silikon – paduan timah. Elektroda NiO dibuat dengan konsentrasi berbeda (0,1mouL, 0,3mol/L dan 0,5mol/L) pengikat CMC dan pVDF, dan diisi dan dikosongkan pada 1,5-3,5V dengan arus 0,1c. Pada siklus pertama, kapasitas sel pengikat pVDF lebih tinggi dibandingkan sel pengikat CMC. Ketika jumlah siklus mencapai lO, kapasitas pelepasan pengikat pVDF jelas menurun. Setelah siklus 4JD, kapasitas pelepasan spesifik pengikat 0,1movL, 0,3MOUL, dan 0,5MovLPVDF masing-masing turun menjadi 250mAh/g, 157mAtv 'g, dan 102mAh/g: Kapasitas spesifik pelepasan baterai dengan 0,1 moL/L, 0,3 moL/L dan pengikat 0,5 mol/LCMC masing-masing disimpan pada 698mAh/g, 555mAh/g dan 550mAh/g.

Pengikat CMC digunakan pada LiTI0. : dan nanopartikel SnO2 dalam produksi industri. Menggunakan CMC sebagai pengikat, LiFepO4 dan Li4TI50l2 masing-masing sebagai bahan aktif positif dan negatif, dan menggunakan pYR14FS1 sebagai elektrolit tahan api, baterai didaur ulang 150 kali pada arus 0,1c pada suhu 1,5v ~ 3,5V, dan spesifik positif kapasitansi dipertahankan pada 140mAh/g. Di antara berbagai garam logam dalam CMC, CMCLi memasukkan ion logam lain, yang dapat menghambat “reaksi pertukaran (vii)” dalam elektrolit selama sirkulasi.

2) Mekanisme peningkatan kinerja

Pengikat CMC Li dapat meningkatkan kinerja elektrokimia elektroda dasar AQ dalam baterai litium. M.E dkk. -4 melakukan studi pendahuluan tentang mekanisme tersebut dan mengusulkan model distribusi CMC-Li pada elektroda AQ. Kinerja CMCLi yang baik berasal dari efek ikatan kuat dari ikatan hidrogen yang dihasilkan oleh OH, yang berkontribusi pada pembentukan struktur jaring yang efisien. CMC-Li yang bersifat hidrofilik tidak akan larut dalam elektrolit organik, sehingga memiliki kestabilan yang baik pada baterai, serta memiliki daya rekat yang kuat pada struktur elektroda sehingga membuat baterai memiliki kestabilan yang baik. Pengikat Cmc-li memiliki konduktivitas Li yang baik karena terdapat banyak gugus fungsi pada rantai molekul CMC-Li. Selama pelepasan, ada dua sumber zat efektif yang bekerja dengan Li: (1) Li dalam elektrolit; (2) Li pada rantai molekul CMC-Li dekat pusat efektif zat aktif.

Reaksi gugus hidroksil dan gugus hidroksil pada pengikat karboksimetil CMC-Li akan membentuk ikatan kovalen; Di bawah pengaruh gaya medan listrik, U dapat berpindah pada rantai molekul atau rantai molekul yang berdekatan, sehingga struktur rantai molekul tidak akan rusak; Akhirnya, Lj akan berikatan dengan partikel AQ. Hal 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 perpindahan Li. M.Arrmand dkk. diyakini bahwa senyawa organik -COOH atau OH masing-masing dapat bereaksi dengan 1 Li dan menghasilkan 1 C00Li atau 1 0Li pada potensial rendah. Untuk mengeksplorasi lebih jauh 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 “, seperti ditunjukkan pada persamaan (1) dan (2)

Ketika jumlah cH, COOLi, dan OLi meningkat, DS CMC-Li meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa lapisan organik yang sebagian besar terdiri dari pengikat permukaan partikel AQ menjadi lebih stabil dan lebih mudah untuk mentransfer Li. CMCLi adalah polimer konduktif yang menyediakan jalur transportasi Li untuk mencapai permukaan partikel AQ. Pengikat CMCLi memiliki konduktivitas elektronik dan ionik yang baik, yang menghasilkan kinerja elektrokimia yang baik dan umur siklus elektroda CMCLi yang panjang. JS Bridel dkk. menyiapkan anoda baterai lithium ion menggunakan bahan komposit silikon/karbon/polimer dengan bahan pengikat yang berbeda untuk mempelajari pengaruh interaksi antara silikon dan polimer terhadap kinerja baterai secara keseluruhan, dan menemukan bahwa CMC memiliki kinerja terbaik bila digunakan sebagai pengikat. Terdapat ikatan hidrogen yang kuat antara silikon dan CMC, yang memiliki kemampuan penyembuhan diri dan dapat menyesuaikan peningkatan tekanan material selama proses siklus untuk menjaga stabilitas struktur material. Dengan CMC sebagai pengikat, kapasitas anoda silikon dapat dipertahankan 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 alam, mikrosfer karbon fase meso (MCMB), litium titanat, bahan anoda berbahan silikon berbasis timah, dan bahan anoda besi litium besi fosfat, yang dapat meningkatkan kualitas baterai. kapasitas, stabilitas siklus, dan umur siklus dibandingkan dengan pYDF. Hal ini bermanfaat bagi stabilitas termal, konduktivitas listrik dan sifat elektrokimia bahan CMC. Ada dua mekanisme utama CMC untuk meningkatkan kinerja baterai lithium ion:

(1) Kinerja pengikatan CMC yang stabil menciptakan prasyarat yang diperlukan untuk memperoleh kinerja baterai yang stabil;

(2) CMC memiliki konduktivitas elektron dan ion yang baik dan dapat mendorong transfer Li