CMC-gebruik in de batterij-industrie

Wat is natriumcarboxymethylcellulose?

Natriumcarboxymethylcellulose, (ook wel: carboxymethylcellulose-natriumzout, carboxymethylcellulose, CMC, carboxymethyl, cellulosenatrium, natriumzout van caboxymethylcellulose) is 's werelds meest gebruikte vezelsoort, dosering maximaal.

Cmc-na is een cellulosederivaat met een polymerisatiegraad van 100~2000 en een molecuulgewicht van 242,16. Wit vezelig of korrelig poeder. Geurloos, smaakloos, smaakloos, hygroscopisch, onoplosbaar in organische oplosmiddelen. Dit artikel is voornamelijk bedoeld om de toepassing van natriumcarboxymethylcellulose in details van lithiumionbatterijen te begrijpen.

Vooruitgang bij de toepassing van natriumcarboxymethylcellulose CMCin lithium-ionbatterijen

Momenteel wordt polyvinylideenfluoride [pVDF, (CH: A CF:)] veel gebruikt als bindmiddel bij de productie van lithiumionbatterijen. . PVDF is niet alleen duur, het moet ook worden gebruikt bij de toepassing van explosieve, milieuvriendelijke organische oplosmiddelen, zoals N-methyl, waarbij de alkaanketon (NMP) en luchtvochtigheidseisen voor het productieproces strikt worden nageleefd, ook gemakkelijk met ingebedde metaallithium, lithiumgrafiet secundaire reactie, vooral bij hoge temperaturen, een spontaan risico op thermische runaway. Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), een in water oplosbaar bindmiddel, wordt gebruikt als vervanging van pVDF voor elektrodematerialen, waardoor het gebruik van NMP kan worden vermeden, de kosten kunnen worden verlaagd en de milieuvervuiling kan worden verminderd. Tegelijkertijd vereist het productieproces geen omgevingsvochtigheid, maar kan het ook de capaciteit van de batterij verbeteren en de levensduur van de cyclus verlengen. In dit artikel werd de rol van CMC in de prestaties van lithium-ionbatterijen besproken, en werd het mechanisme waarmee CMC de batterijprestaties verbetert, samengevat op basis van de aspecten thermische stabiliteit, elektrische geleidbaarheid en elektrochemische kenmerken.

1. Structuur en prestaties van CMC

1) CMC-structuur

CMC wordt over het algemeen geclassificeerd op basis van verschillende substitutiegraden (Ds), en de productmorfologie en prestatie worden sterk beïnvloed door Ds. LXie et al. bestudeerde THE CMC met Ds van verschillende H-paren van Na. Resultaten van SEM-analyse toonden aan dat CMC-Li-1 (Ds = 1,00) een granulaire structuur vertoonde, en CMC-Li-2 (Ds = 0,62) een lineaire structuur vertoonde. Het onderzoek van M.E et al. bewees dat CMC. Styreenbutadieenrubber (SBR) kan de agglomeratie van Li:O remmen en de grensvlakstructuur stabiliseren, wat gunstig is voor de elektrochemische prestaties.

2) CMC-prestaties

2.1)Thermische stabiliteit

Zj Han et al. bestudeerde de thermische stabiliteit van verschillende bindmiddelen. De kritische temperatuur van pVDF bedraagt ​​ongeveer 450°C. Bij het bereiken van 500℃ vindt snelle ontbinding plaats en wordt de massa met ongeveer 70% verminderd. Toen de temperatuur 600℃ bereikte, werd de massa verder verminderd met 70%. Toen de temperatuur 300oC bereikte, werd de massa van CMC-Li met 70% verminderd. Toen de temperatuur 400 ℃ bereikte, werd de massa van CMC-Li met 10% verminderd. CMCLi wordt aan het einde van de levensduur van de batterij gemakkelijker afgebroken dan pVDF.

2.2)De elektrische geleidbaarheid

S. Chou et al. De testresultaten van CMCLI-1, CMC-Li-2 en pVDF toonden aan dat de soortelijke weerstand van CMCLI-1, CMC-Li-2 en pVDF respectievelijk 0,3154 Mn·m en 0,2634 Mn bedroeg. M en 20,0365 Mn·m, wat aangeeft dat de soortelijke weerstand van pVDF hoger is dan die van CMCLi, de geleidbaarheid van CMC-LI beter is dan die van pVDF, en de geleidbaarheid van CMCLI.1 lager is dan die van CMCLI.2.

2.3)Elektrochemische prestaties

FM Courtel et al. bestudeerde de cyclische voltammetriecurven van op poly-sulfonaat (AQ) gebaseerde elektroden wanneer verschillende bindmiddelen werden gebruikt. Verschillende bindmiddelen hebben verschillende oxidatie- en reductiereacties, dus het piekpotentieel is anders. Onder hen is het oxidatiepotentieel van CMCLi 2,15V en het reductiepotentieel 2,55V. Het oxidatiepotentieel en reductiepotentieel van pVDF waren respectievelijk 2,605 V en 1,950 V. Vergeleken met de cyclische voltammetriecurven van de voorgaande twee keren was het piekpotentiaalverschil van de oxidatie-reductiepiek bij gebruik van CMCLi-bindmiddel kleiner dan bij gebruik van pVDF, wat aangeeft dat de reactie minder werd gehinderd en dat CMCLi-bindmiddel meer bevorderlijk was voor het optreden van de oxidatie-reductiereactie.

2. Toepassingseffect en mechanisme van CMC

1) Toepassingseffect

Pj Suo et al. bestudeerde de elektrochemische prestaties van Si/C-composietmaterialen wanneer pVDF en CMC als bindmiddelen werden gebruikt, en ontdekte dat de batterij die CMC gebruikte voor het eerst een omkeerbare specifieke capaciteit van 700 mAh/g had en na 4O-cycli nog steeds 597 mAh/g had, wat was superieur aan de batterij met behulp van pVDF. Jh Lee et al. bestudeerde de invloed van Ds van CMC op de stabiliteit van grafietsuspensie en geloofde dat de vloeistofkwaliteit van de suspensie werd bepaald door Ds. Bij een lage DS heeft CMC sterke hydrofobe eigenschappen en kan het de reactie met het grafietoppervlak verhogen wanneer water als medium wordt gebruikt. CMC heeft ook voordelen bij het handhaven van de stabiliteit van de cyclische eigenschappen van anodematerialen van silicium-tinlegeringen. De NiO-elektroden werden bereid met verschillende concentraties (0,1 mouL, 0,3 mol/l en 0,5 mol/l) CMC- en pVDF-bindmiddel, en geladen en ontladen bij 1,5-3,5 V met een stroom van 0,1 c. Tijdens de eerste cyclus was de capaciteit van de pVDF-bindercel hoger dan die van de CMC-bindercel. Wanneer het aantal cycli 100 bereikt, neemt de ontladingscapaciteit van het pVDF-bindmiddel duidelijk af. Na 4JD-cycli daalde de specifieke ontladingscapaciteit van 0,1 movL, 0,3MOUL en 0,5 MovLPVDF-bindmiddelen tot respectievelijk 250 mAh/g, 157 mAtv 'g en 102 mAh/g: de ontladingsspecifieke capaciteit van batterijen met 0,1 moL/L, 0,3 moL/L en 0,5 mol/LCMC-bindmiddel werd op 698 mAh/g gehouden, 555 mAh/g en 550 mAh/g respectievelijk.

CMC-bindmiddel wordt gebruikt op LiTI0. : en SnO2-nanodeeltjes in industriële productie. Met CMC als bindmiddel, LiFepO4 en Li4TI50l2 als respectievelijk positieve en negatieve actieve materialen, en met behulp van pYR14FS1 als vlamvertragende elektrolyt, werd de batterij 150 keer aan een stroom van 0,1c bij 1,5V ~ 3,5V bij temperatuur onderworpen, en de positieve specifieke de capaciteit werd gehandhaafd op 140 mAh/g. Naast verschillende metaalzouten in CMC introduceert CMCLi ook andere metaalionen, die de “uitwisselingsreactie (vii)” in elektrolyt tijdens de circulatie kunnen remmen.

2) Mechanisme voor prestatieverbetering

CMC Li-bindmiddel kan de elektrochemische prestaties van de AQ-basiselektrode in een lithiumbatterij verbeteren. M.E et al. -4 voerden een voorbereidend onderzoek uit naar het mechanisme en stelden een model voor van de verdeling van CMC-Li in de AQ-elektrode. De goede prestaties van CMCLi komen voort uit het sterke bindende effect van waterstofbruggen geproduceerd door een OH, wat bijdraagt ​​aan de efficiënte vorming van gaasstructuren. De hydrofiele CMC-Li lost niet op in de organische elektrolyt, dus heeft een goede stabiliteit in de batterij en heeft een sterke hechting aan de elektrodestructuur, waardoor de batterij een goede stabiliteit heeft. Cmc-li-bindmiddel heeft een goede Li-geleiding omdat er een groot aantal functionele groepen op de moleculaire keten van CMC-Li zitten. Tijdens de ontlading zijn er twee bronnen van effectieve stoffen die met Li inwerken: (1) Li in de elektrolyt; (2) Li op de moleculaire keten van CMC-Li nabij het effectieve centrum van de werkzame stof.

De reactie van de hydroxylgroep en de hydroxylgroep in het carboxymethyl CMC-Li-bindmiddel zal een covalente binding vormen; Onder invloed van elektrische veldkracht kan U worden overgedragen op de moleculaire keten of aangrenzende moleculaire keten, dat wil zeggen dat de moleculaire ketenstructuur niet zal worden beschadigd; Uiteindelijk zal Lj zich binden aan het AQ-deeltje. Dit geeft aan dat de toepassing van CMCLi niet alleen de overdrachtsefficiëntie van Li verbetert, maar ook de benuttingsgraad van AQ verbetert. Hoe hoger het gehalte aan cH: COOLi en 10Li in de moleculaire keten, hoe gemakkelijker Li-overdracht. M.Arrmand et al. geloofde dat organische verbindingen van -COOH of OH respectievelijk met 1 Li konden reageren en bij een laag potentieel 1 C00Li of 1 0Li konden produceren. Om het mechanisme van CMCLi-bindmiddel in de elektrode verder te onderzoeken, werd CMC-Li-1 gebruikt als actief materiaal en werden vergelijkbare conclusies getrokken. Li reageert met één cH, COOH en één 0H van CMC Li en genereert respectievelijk cH: COOLi en één 0 “, zoals weergegeven in vergelijkingen (1) en (2)

Naarmate het aantal cH, COOLi en OLi toeneemt, neemt de DS van CMC-Li toe. Dit toont aan dat de organische laag die voornamelijk bestaat uit AQ-deeltjesoppervlaktebindmiddel stabieler wordt en gemakkelijker Li overdraagt. CMCLi is een geleidend polymeer dat Li een transportroute biedt om het oppervlak van AQ-deeltjes te bereiken. CMCLi-bindmiddelen hebben een goede elektronische en ionische geleidbaarheid, wat resulteert in goede elektrochemische prestaties en een lange levensduur van CMCLi-elektroden. JS Bridel et al. bereidde de anode van een lithiumionbatterij voor met behulp van silicium / koolstof / polymeercomposietmaterialen met verschillende bindmiddelen om de invloed van de interactie tussen silicium en polymeer op de algehele prestaties van de batterij te bestuderen, en ontdekte dat CMC de beste prestaties leverde bij gebruik als bindmiddel. Er bestaat een sterke waterstofbinding tussen silicium en CMC, die een zelfherstellend vermogen heeft en de toenemende spanning van het materiaal tijdens het cyclusproces kan aanpassen om de stabiliteit van de materiaalstructuur te behouden. Met CMC als bindmiddel kan de capaciteit van de siliciumanode in ten minste 100 cycli boven de 1000 mAh/g worden gehouden, en ligt de coulomb-efficiëntie dicht bij 99,9%.

3, conclusie

Als bindmiddel kan CMC-materiaal worden gebruikt in verschillende soorten elektrodematerialen, zoals natuurlijk grafiet, mesofase-koolstofmicrosferen (MCMB), lithiumtitanaat, op tin gebaseerd anodemateriaal op siliciumbasis en anodemateriaal op lithiumijzerfosfaat, wat de batterij kan verbeteren. capaciteit, cyclusstabiliteit en levensduur vergeleken met pYDF. Het is gunstig voor de thermische stabiliteit, elektrische geleidbaarheid en elektrochemische eigenschappen van CMC-materialen. Er zijn twee belangrijke mechanismen waarmee CMC de prestaties van lithiumionbatterijen kan verbeteren:

(1) De stabiele bindingsprestaties van CMC creëren een noodzakelijke voorwaarde voor het verkrijgen van stabiele batterijprestaties;

(2) CMC heeft een goede elektronen- en ionengeleiding en kan Li-overdracht bevorderen