電池産業におけるCMCの使用

カルボキシメチルセルロースナトリウムとは?

カルボキシメチルセルロースナトリウム（別名：カルボキシメチルセルロースナトリウム塩、カルボキシメチルセルロース、CMC、カルボキシメチル、セルロースナトリウム、カボキシメチルセルロースのナトリウム塩）は、世界で最も広く使用されている種類の繊維であり、最大用量です。

Cmc-naは、重合度100～2000、分子量242.16のセルロース誘導体です。白色の繊維状または顆粒状の粉末。無臭、無味、吸湿性、有機溶剤に不溶。この論文は主に、リチウムイオン電池におけるカルボキシメチルセルロースナトリウムの応用を詳細に理解することを目的としています。

カルボキシメチルセルロースナトリウムの応用の進歩 CMCリチウムイオン電池では

現在、ポリフッ化ビニリデン [pVDF、(CH:A CF:)] は、リチウムイオン電池の製造におけるバインダーとして広く使用されています。。 PVDF は高価であるだけでなく、爆発性物質の塗布プロセスで使用する必要があり、アルカンケトン (NMp) や生産プロセスの空気湿度要件が厳密である N メチルなどの有機溶媒の環境に優しく、また簡単に埋め込み可能です。金属リチウム、リチウムグラファイトの二次反応、特に高温条件下では、自然に熱暴走が起こる危険性があります。水溶性バインダーであるカルボキシメチルセルロースナトリウム（CMC）は、電極材料のpVDFの代替品として使用されており、NMpの使用を回避し、コストを削減し、環境汚染を軽減することができます。同時に、製造プロセスでは環境湿度を必要とせず、バッテリーの容量を向上させ、サイクル寿命を延ばすこともできます。本稿では、リチウムイオン電池の性能におけるCMCの役割を概説し、CMCが電池性能を向上させるメカニズムを熱安定性、導電率、電気化学的特性の側面からまとめました。

1. CMCの構造と性能

1) CMCの構造

CMCは一般に置換度（D）の違いによって分類されており、製品の形態や性能はDによって大きく影響されます。 LXieら。 Na の異なる H ペアの D を使用して CMC を研究しました。 SEM 分析の結果、CMC-Li-1 (Ds = 1.00) は粒状構造を示し、CMC-Li-2 (Ds = 0.62) は線状構造を示した。 M.E らの研究により、CMC が証明されました。スチレンブタジエンゴム (SBR) は、Li:O の凝集を抑制し、界面構造を安定化させることができ、これは電気化学的性能に有益です。

2) CMC性能

2.1)熱安定性

Zjハンら。さまざまなバインダーの熱安定性を研究しました。ｐＶＤＦの臨界温度は約４５０℃である。 500℃に達すると急激に分解が起こり、質量が約70％減少します。温度が600℃に達すると、質量はさらに70％減少しました。温度が 300℃に達すると、CMC-Li の質量は 70% 減少しました。温度が400℃に達すると、CMC-Liの質量は10％減少しました。 CMCLi は、電池寿命の終わりに pVDF よりも分解されやすくなります。

2.2)電気伝導率

S. Chou et al.の試験結果は、CMCLI-1、CMC-Li-2、および pVDF の抵抗率がそれぞれ 0.3154 Mn・m および 0.2634 Mn であることを示しました。これは、pVDF の抵抗率が CMCLi の抵抗率よりも高く、CMC-LI の導電率が pVDF の導電率よりも優れており、CMCLI.1 の導電率が CMCLI.2 の導電率よりも低いことを示しています。

2.3)電気化学的性能

FM コーテルら。は、異なるバインダーが使用された場合のポリスルホン酸塩 (AQ) ベースの電極のサイクリックボルタンメトリー曲線を研究しました。結合剤が異なれば酸化反応と還元反応も異なるため、ピーク電位も異なります。このうち、ＣＭＣＬｉの酸化電位は２．１５Ｖ、還元電位は２．５５Ｖである。ｐＶＤＦの酸化電位は２．６０５Ｖ、還元電位は１．９５０Ｖであった。過去 2 回のサイクリックボルタンメトリー曲線と比較すると、CMCLi バインダーを使用した場合の酸化還元ピークのピーク電位差は、pVDF を使用した場合よりも小さく、反応が阻害されにくく、CMCLi バインダーが反応を促進しやすいことがわかります。酸化還元反応が起こること。

2. CMCの適用効果とメカニズム

1) 適用効果

Pj Suo et al.らは、pVDF と CMC をバインダーとして使用したときの Si/C 複合材料の電気化学的性能を研究し、CMC を使用した電池が初めて 700mAh/g の可逆比容量を持ち、40 サイクル後もまだ 597mAh/g を維持していることを発見しました。 pVDFを使用した電池よりも優れていました。 Jh Leeら。らは、CMC の Ds がグラファイト懸濁液の安定性に及ぼす影響を研究し、懸濁液の液質は Ds によって決定されると考えました。 DS が低い場合、CMC は強い疎水性特性を持ち、水を媒体として使用するとグラファイト表面との反応が増加する可能性があります。 CMC には、シリコン - 錫合金アノード材料のサイクル特性の安定性を維持するという利点もあります。 NiO電極は、異なる濃度(0.1mouL、0.3mol/L、0.5mol/L)のCMCおよびpVDFバインダーを用いて調製し、1.5〜3.5V、0.1cの電流で充電および放電した。最初のサイクル中、pVDF バインダーセルの容量は CMC バインダーセルの容量よりも高かった。サイクル数が 10 に達すると、pVDF バインダーの放電容量は明らかに減少します。 4JDサイクル後、0.1movL、0.3MOUL、0.5MovLPVDFバインダーの比放電容量は、それぞれ250mAh/g、157mAtv-g、102mAh/gに減少しました。 0.1moL/L、0.3moL/Lの電池の放電比容量および０．５ｍｏＬ／ＬＣＭＣバインダーは、それぞれ６９８ｍＡｈ／ｇ、５５５ｍＡｈ／ｇ、および５５０ｍＡｈ／ｇに維持された。

LiTI0にはCMCバインダーが使用されています。 : 工業生産における SnO2 ナノ粒子。 CMCをバインダーとして使用し、LiFepO4とLi4TI50l2をそれぞれ正負の活物質として使用し、難燃性電解質としてpYR14FS1を使用して、バッテリーを1.5V〜3.5Vの温度で0.1cの電流で150回サイクルさせ、正極比静電容量は140mAh/gに維持されました。 CMC に含まれるさまざまな金属塩のうち、CMCLi は他の金属イオンを導入し、循環中の電解液中の「交換反応 (vii)」を阻害する可能性があります。

２）性能向上のメカニズム

CMC Li バインダーは、リチウム電池の AQ ベース電極の電気化学的性能を向上させることができます。 M.Eら-4 はメカニズムに関する予備研究を実施し、AQ 電極における CMC-Li の分布のモデルを提案しました。 CMCLi の優れた性能は、OH によって生成される水素結合の強力な結合効果に由来しており、これがメッシュ構造の効率的な形成に貢献します。親水性CMC-Liは有機電解液に溶解しないため、電池内での安定性が良く、電極構造との密着性が強いため、電池の安定性が良好です。 CMC-Li バインダーは、CMC-Li の分子鎖上に多数の官能基があるため、良好な Li 導電率を示します。放電中、Li と作用する有効物質の供給源は 2 つあります。(1) 電解質中の Li。 (2) 活物質の有効中心付近の CMC-Li 分子鎖上の Li。

ヒドロキシル基とカルボキシメチルCMC-Liバインダーのヒドロキシル基が反応すると共有結合が形成されます。電場力の作用下で、U は分子鎖または隣接する分子鎖上に移動することができます。つまり、分子鎖構造は損傷されません。最終的に、Lj は AQ 粒子に結合します。これは、CMCLi の適用により Li の移動効率が向上するだけでなく、AQ の利用率も向上することを示しています。分子鎖中の cH:COOLi および 10Li の含有量が高いほど、Li の移動は容易になります。 M.アーマンドら。彼らは、-COOH または OH の有機化合物がそれぞれ 1 Li と反応し、低電位で 1 CO0Li または 10Li を生成すると信じていました。電極における CMCLi バインダーのメカニズムをさらに調査するために、CMC-Li-1 を活物質として使用し、同様の結論が得られました。 Li は、CMC Li からの 1 つの cH、COOH、および 1 つの OH と反応し、式 (1) および (2) に示すように、それぞれ cH: COOLi および 1 つの O" を生成します。

cH、COOLi、OLi の数が増加するにつれて、CMC-Li の THE DS は増加します。これは、AQ粒子表面バインダーを主成分とする有機層がより安定になり、Liが移動しやすくなることを示しています。 CMCLi は、Li が AQ 粒子の表面に到達するための輸送ルートを提供する導電性ポリマーです。 CMCLi バインダーは優れた電子伝導性とイオン伝導性を備えており、その結果、CMCLi 電極の電気化学的性能が向上し、サイクル寿命が長くなります。 JS ブライデルら。は、電池の全体的な性能に対するシリコンとポリマー間の相互作用の影響を研究するために、異なるバインダーを含むシリコン/カーボン/ポリマー複合材料を使用してリチウムイオン電池のアノードを調製し、CMC をバインダーとして使用した場合に最高の性能が得られることを発見しました。シリコンとCMCの間には強力な水素結合があり、自己修復能力があり、サイクリングプロセス中に増加する材料の応力を調整して材料構造の安定性を維持できます。 CMC をバインダーとして使用すると、シリコンアノードの容量は少なくとも 100 サイクルで 1000mAh/g 以上に維持でき、クーロン効率は 99.9% に近くなります。

3、結論

CMC 材料はバインダーとして、天然黒鉛、メソフェーズカーボンミクロスフェア (MCMB)、チタン酸リチウム、錫ベースのシリコンベースのアノード材料、リン酸鉄リチウムアノード材料などのさまざまな種類の電極材料に使用でき、電池を向上させることができます。 pYDFと比較した容量、サイクル安定性、サイクル寿命。これは、CMC 材料の熱安定性、導電性、電気化学的特性に有益です。 CMC がリチウムイオン電池の性能を向上させるための主なメカニズムは 2 つあります。

(1) CMC の安定した接着性能は、安定した電池性能を得るために必要な前提条件を生み出します。

(2) CMC は電子伝導性とイオン伝導性に優れており、Li の移動を促進します。

投稿日時: 2023 年 12 月 23 日