การใช้ CMC Binder ในแบตเตอรี่

ในฐานะที่เป็นตัวประสานหลักของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้น้ำ ผลิตภัณฑ์ CMC จึงถูกใช้อย่างกว้างขวางโดยผู้ผลิตแบตเตอรี่ในประเทศและต่างประเทศ ปริมาณสารยึดเกาะที่เหมาะสมจะทำให้มีความจุของแบตเตอรี่ค่อนข้างมาก อายุการใช้งานยาวนาน และความต้านทานภายในค่อนข้างต่ำ

สารยึดเกาะเป็นหนึ่งในวัสดุเสริมการทำงานที่สำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เป็นแหล่งที่มาหลักของคุณสมบัติทางกลของอิเล็กโทรดทั้งหมด และมีผลกระทบสำคัญต่อกระบวนการผลิตอิเล็กโทรดและประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ตัวสารยึดเกาะไม่มีความจุและใช้สัดส่วนในแบตเตอรี่น้อยมาก

นอกจากคุณสมบัติการยึดเกาะของสารยึดเกาะทั่วไปแล้ว วัสดุประสานอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังต้องสามารถทนต่อการบวมและการกัดกร่อนของอิเล็กโทรไลต์ได้ ตลอดจนทนต่อการกัดกร่อนของเคมีไฟฟ้าระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ยังคงมีเสถียรภาพในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน ดังนั้นจึงมีวัสดุโพลีเมอร์ไม่มากนักที่สามารถใช้เป็นตัวประสานอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้

ตัวประสานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีสามประเภทหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน: โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF), อิมัลชันยางสไตรีนบิวทาไดอีน (SBR) และคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (CMC) นอกจากนี้ กรดโพลีอะคริลิก (PAA) สารยึดเกาะที่ใช้น้ำซึ่งมีโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) และโพลีอะคริเลตเป็นส่วนประกอบหลักก็ครอบครองตลาดบางแห่งเช่นกัน

คุณลักษณะสี่ประการของ CMC ระดับแบตเตอรี่

เนื่องจากโครงสร้างกรดของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสมีความสามารถในการละลายน้ำได้ต่ำ CMC จึงเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตแบตเตอรี่เพื่อให้นำไปใช้ได้ดีขึ้น

ในฐานะที่เป็นตัวประสานหลักของวัสดุอิเล็กโทรดลบที่ใช้น้ำ ผลิตภัณฑ์ CMC จึงถูกใช้อย่างกว้างขวางโดยผู้ผลิตแบตเตอรี่ในประเทศและต่างประเทศ ปริมาณสารยึดเกาะที่เหมาะสมจะทำให้มีความจุของแบตเตอรี่ค่อนข้างมาก อายุการใช้งานยาวนาน และความต้านทานภายในค่อนข้างต่ำ

คุณลักษณะสี่ประการของ CMC คือ:

ประการแรก CMC สามารถทำให้ผลิตภัณฑ์ชอบน้ำและละลายน้ำได้ ละลายได้อย่างสมบูรณ์ในน้ำ โดยไม่มีเส้นใยอิสระและสิ่งสกปรก

ประการที่สอง ระดับของการทดแทนจะสม่ำเสมอและความหนืดคงที่ ซึ่งสามารถให้ความหนืดและการยึดเกาะที่มั่นคง

ประการที่สาม ผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยมีปริมาณไอออนของโลหะต่ำ

ประการที่สี่ ผลิตภัณฑ์มีความเข้ากันได้ดีกับยาง SBR และวัสดุอื่นๆ

โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส CMC ที่ใช้ในแบตเตอรี่ได้ปรับปรุงผลการใช้งานในเชิงคุณภาพ และในขณะเดียวกันก็ให้ประสิทธิภาพการใช้งานที่ดีโดยมีผลการใช้งานในปัจจุบัน

บทบาทของ CMC ต่อแบตเตอรี่

CMC เป็นอนุพันธ์ของคาร์บอกซีเมทิลเลตของเซลลูโลส ซึ่งโดยปกติจะเตรียมโดยการทำปฏิกิริยาเซลลูโลสธรรมชาติกับด่างกัดกร่อนและกรดโมโนคลอโรอะซิติก และน้ำหนักโมเลกุลมีตั้งแต่หลายพันถึงล้าน

CMC เป็นผงสีขาวถึงสีเหลืองอ่อน เป็นสารที่เป็นเม็ดหรือเป็นเส้นใย ซึ่งมีความสามารถในการดูดความชื้นสูง และละลายได้ง่ายในน้ำ เมื่อเป็นกลางหรือเป็นด่าง สารละลายจะเป็นของเหลวที่มีความหนืดสูง หากได้รับความร้อนสูงกว่า 80°C เป็นเวลานาน ความหนืดจะลดลงและไม่ละลายในน้ำ มันจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลเมื่อถูกความร้อนถึง 190-205°C และจะเกิดคาร์บอนเมื่อถูกความร้อนถึง 235-248°C

เนื่องจาก CMC มีหน้าที่ในการทำให้ข้น การยึดเกาะ การกักเก็บน้ำ การทำอิมัลชัน และสารแขวนลอยในสารละลายที่เป็นน้ำ จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านเซรามิก อาหาร เครื่องสำอาง การพิมพ์และการย้อมสี การทำกระดาษ สิ่งทอ สารเคลือบ กาว และยา สารเคมีคุณภาพสูง เซรามิกและแบตเตอรี่ลิเธียมขั้นสุดท้าย มีสัดส่วนประมาณ 7% หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า “โมโนโซเดียมกลูตาเมตทางอุตสาหกรรม”

โดยเฉพาะซีเอ็มซีในแบตเตอรี่หน้าที่ของ CMC คือ: กระจายวัสดุที่ใช้งานขั้วลบและตัวนำไฟฟ้า การทำให้หนาขึ้นและป้องกันการตกตะกอนต่อสารละลายอิเล็กโทรดลบ ช่วยในการยึดเกาะ; รักษาเสถียรภาพประสิทธิภาพการประมวลผลของอิเล็กโทรดและช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรแบตเตอรี่ ปรับปรุงความแข็งแรงการลอกของชิ้นเสา ฯลฯ

ประสิทธิภาพและการเลือก CMC

การเติม CMC เมื่อทำสารละลายอิเล็กโทรดจะช่วยเพิ่มความหนืดของสารละลายและป้องกันไม่ให้สารละลายตกตะกอน CMC จะสลายโซเดียมไอออนและแอนไอออนในสารละลายที่เป็นน้ำ และความหนืดของกาว CMC จะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ซึ่งดูดซับความชื้นได้ง่ายและมีความยืดหยุ่นต่ำ

CMC สามารถมีบทบาทที่ดีมากในการกระจายตัวของกราไฟท์ขั้วลบ เมื่อปริมาณของ CMC เพิ่มขึ้น ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวจะเกาะติดกับพื้นผิวของอนุภาคกราไฟท์ และอนุภาคกราไฟท์จะผลักกันเนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิต ทำให้เกิดการกระจายตัวที่ดี

ข้อเสียที่ชัดเจนของ CMC คือมันค่อนข้างเปราะ หากใช้ CMC ทั้งหมดเป็นสารยึดเกาะ อิเล็กโทรดลบของกราไฟท์จะยุบตัวในระหว่างกระบวนการกดและตัดชิ้นส่วนขั้ว ซึ่งจะทำให้ผงสูญเสียอย่างรุนแรง ในเวลาเดียวกัน CMC ได้รับผลกระทบอย่างมากจากอัตราส่วนของวัสดุอิเล็กโทรดและค่า pH และแผ่นอิเล็กโทรดอาจแตกระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่

ในขั้นต้น สารยึดเกาะที่ใช้สำหรับการกวนอิเล็กโทรดเชิงลบคือ PVDF และสารยึดเกาะที่ใช้น้ำมันอื่นๆ แต่เมื่อพิจารณาถึงการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและปัจจัยอื่นๆ จึงกลายเป็นกระแสหลักในการใช้สารยึดเกาะที่ใช้น้ำสำหรับอิเล็กโทรดเชิงลบ

ไม่มีสารยึดเกาะที่สมบูรณ์แบบ พยายามเลือกสารยึดเกาะที่ตรงตามข้อกำหนดด้านกระบวนการทางกายภาพและเคมีไฟฟ้า ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม รวมถึงปัญหาด้านต้นทุนและการปกป้องสิ่งแวดล้อม สารยึดเกาะที่ใช้น้ำจะเข้ามาแทนที่สารยึดเกาะที่ใช้น้ำมันในที่สุด

CMC สองกระบวนการผลิตที่สำคัญ

ตามสื่ออีเทอร์ริฟิเคชันที่แตกต่างกัน การผลิตทางอุตสาหกรรมของ CMC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: วิธีที่ใช้น้ำและวิธีการที่ใช้ตัวทำละลาย วิธีที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยาเรียกว่าวิธีตัวกลางน้ำ ซึ่งใช้ในการผลิตตัวกลางที่เป็นด่างและ CMC เกรดต่ำ วิธีการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์เป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยาเรียกว่าวิธีการตัวทำละลายซึ่งเหมาะสำหรับการผลิต CMC ขนาดกลางและคุณภาพสูง ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ดำเนินการในเครื่องนวดซึ่งเป็นของกระบวนการนวดและปัจจุบันเป็นวิธีการหลักในการผลิต CMC

วิธีการใช้น้ำปานกลาง: กระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมก่อนหน้านี้ วิธีการคือทำปฏิกิริยากับเซลลูโลสอัลคาไลและสารอีเทอร์ริฟิเคชั่นภายใต้สภาวะของด่างและน้ำอิสระ ซึ่งใช้ในการเตรียมผลิตภัณฑ์ CMC เกรดกลางและเกรดต่ำ เช่น ผงซักฟอกและสารปรับขนาดสิ่งทอ รอสักครู่ . ข้อดีของวิธีการตัวกลางน้ำคือความต้องการอุปกรณ์ค่อนข้างง่ายและต้นทุนต่ำ ข้อเสียคือเนื่องจากขาดตัวกลางของเหลวจำนวนมาก ความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาจะเพิ่มอุณหภูมิและเร่งความเร็วของปฏิกิริยาข้างเคียง ส่งผลให้ประสิทธิภาพอีเธอริฟิเคชันต่ำและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่ดี

วิธีตัวทำละลาย หรือที่เรียกว่าวิธีตัวทำละลายอินทรีย์ แบ่งออกเป็นวิธีนวดและวิธีผสมตามปริมาณของตัวเจือจางปฏิกิริยา คุณลักษณะหลักของมันคือปฏิกิริยาอัลคาไลเซชันและอีเธอริฟิเคชันจะดำเนินการภายใต้สภาวะของตัวทำละลายอินทรีย์ในฐานะตัวกลางปฏิกิริยา (ตัวเจือจาง) ของ เช่นเดียวกับกระบวนการทำปฏิกิริยาของวิธีน้ำ วิธีการตัวทำละลายยังประกอบด้วยอัลคาไลเซชันและอีเธอริฟิเคชันสองขั้นตอน แต่ตัวกลางปฏิกิริยาของทั้งสองขั้นตอนนี้แตกต่างกัน ข้อดีของวิธีการตัวทำละลายคือ ละเว้นกระบวนการของการแช่ด้วยอัลคาไล การกด การบด และการแก่ชราที่มีอยู่ในวิธีการน้ำ และการทำอัลคาไลเซชันและเอเทอริฟิเคชันทั้งหมดจะดำเนินการในเครื่องนวด ข้อเสียคือความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิค่อนข้างแย่ และความต้องการพื้นที่ค่อนข้างแย่ ต้นทุนที่สูงขึ้น