CMC ใช้ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่

โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสคืออะไร?

โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (เรียกอีกอย่างว่าเกลือโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส, คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส, CMC, คาร์บอกซีเมทิล, เซลลูโลสโซเดียม, SodiumsaltofCabosyMethylCellulose) เป็นเส้นใยประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลกปริมาณสูงสุด

Cmc-na เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสที่มีระดับการเกิดพอลิเมอไรเซชัน 100~2000 และน้ำหนักโมเลกุล 242.16 ผงเส้นใยสีขาวหรือเม็ดละเอียด ไม่มีกลิ่น, รสจืด, รสจืด, ดูดความชื้น, ไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ บทความนี้มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อทำความเข้าใจการประยุกต์ใช้โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสในรายละเอียดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ความก้าวหน้าในการใช้โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ซีเอ็มซีในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ปัจจุบันโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ [pVDF, (CH: A CF:)] ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นสารยึดเกาะในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - PVDF ไม่เพียงแต่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ยังต้องใช้ในกระบวนการพ่นที่ระเบิดได้ เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมของตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น N methyl ซึ่งข้อกำหนดของอัลเคนคีโตน (NMp) และความชื้นในอากาศสำหรับกระบวนการผลิตอย่างเคร่งครัด อีกทั้งยังง่ายดายด้วยการฝังตัว โลหะลิเธียม ปฏิกิริยาทุติยภูมิลิเธียมกราไฟท์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง ความเสี่ยงที่เกิดขึ้นเองของความร้อนหนี โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (CMC) ซึ่งเป็นสารยึดเกาะที่ละลายน้ำได้ถูกนำมาใช้แทน pVDF สำหรับวัสดุอิเล็กโทรด ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการใช้ Nmp ลดต้นทุน และลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ในขณะเดียวกันกระบวนการผลิตไม่ต้องการความชื้นในสิ่งแวดล้อม แต่ยังสามารถปรับปรุงความจุของแบตเตอรี่และยืดอายุการใช้งานของวงจรได้อีกด้วย ในบทความนี้ บทบาทของ CMC ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการทบทวน และกลไกของ CMC ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้สรุปจากแง่มุมของเสถียรภาพทางความร้อน การนำไฟฟ้า และคุณลักษณะทางเคมีไฟฟ้า

1. โครงสร้างและผลการดำเนินงานของ CMC

1) โครงสร้าง CMC

โดยทั่วไป CMC จะถูกจำแนกตามระดับของการทดแทน (Ds) ที่แตกต่างกัน และสัณฐานวิทยาของผลิตภัณฑ์และประสิทธิภาพจะได้รับผลกระทบอย่างมากจาก Ds LXie และคณะ ศึกษา THE CMC ด้วย Ds ของ Na คู่ H ที่แตกต่างกัน ผลการวิเคราะห์ SEM แสดงให้เห็นว่า CMC-Li-1 (Ds = 1.00) แสดงโครงสร้างแบบละเอียด และ CMC-Li-2 (Ds = 0.62) แสดงโครงสร้างเชิงเส้น จากการวิจัยของ ม.อี.เอ. และคณะ ได้พิสูจน์แล้วว่า CMC. ยางสไตรีนบิวทาไดอีน (SBR) สามารถยับยั้งการจับตัวเป็นก้อนของ Li: O และทำให้โครงสร้างส่วนต่อประสานมีความเสถียร ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า

2) ประสิทธิภาพของ CMC

2.1 )เสถียรภาพทางความร้อน

Zj Han และคณะ ศึกษาเสถียรภาพทางความร้อนของสารยึดเกาะต่างๆ อุณหภูมิวิกฤตของ pVDF อยู่ที่ประมาณ 4,500C เมื่อถึงอุณหภูมิ 500°C จะเกิดการสลายตัวอย่างรวดเร็ว และมวลจะลดลงประมาณ 70% เมื่ออุณหภูมิถึง 600°C มวลก็ลดลงอีก 70% เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 300oC มวลของ CMC-Li จะลดลง 70% เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 400°C มวลของ CMC-Li จะลดลง 10% CMCLi สามารถย่อยสลายได้ง่ายกว่า pVDF เมื่อแบตเตอรี่หมด

2.2 )ค่าการนำไฟฟ้า

เอส. ชู และคณะ ผลการทดสอบของแสดงให้เห็นว่าความต้านทานของ CMCLI-1, CMC-Li-2 และ pVDF อยู่ที่ 0.3154 Mn·m และ 0.2634 Mn ตามลำดับ M และ 20.0365 Mn·m ซึ่งบ่งชี้ว่าความต้านทานของ pVDF สูงกว่าค่าการนำไฟฟ้าของ CMCLi ค่าการนำไฟฟ้าของ CMC-LI ดีกว่าค่าการนำไฟฟ้าของ pVDF และค่าการนำไฟฟ้าของ CMCLI.1 ต่ำกว่าค่าการนำไฟฟ้าของ CMCLI.2

2.3)ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า

FM Courtel และคณะ ศึกษาเส้นโค้งโวลแทมเมทรีแบบไซคลิกของอิเล็กโทรดที่ใช้โพลีซัลโฟเนต (AQ) เมื่อใช้สารยึดเกาะที่แตกต่างกัน สารยึดเกาะแต่ละชนิดมีปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชันต่างกัน ดังนั้นศักยภาพสูงสุดจึงแตกต่างกัน ศักยภาพในการออกซิเดชันของ CMCLi คือ 2.15V และศักยภาพในการลดคือ 2.55V ศักยภาพในการออกซิเดชันและศักยภาพการลดของ pVDF เท่ากับ 2.605 V และ 1.950 V ตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นโค้งโวลแทมเมทรีแบบไซคลิกของสองครั้งก่อนหน้านี้ ความต่างศักย์สูงสุดของพีคของการเกิดออกซิเดชัน-รีดิวซ์เมื่อใช้สารยึดเกาะ CMCLi นั้นน้อยกว่าเมื่อใช้ pVDF ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาถูกขัดขวางน้อยกว่าและสารยึดเกาะ CMCLi เอื้อต่อ การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์

2. ผลการใช้งานและกลไกของ CMC

1) ผลการสมัคร

Pj Suo และคณะ ศึกษาประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุคอมโพสิต Si/C เมื่อใช้ pVDF และ CMC เป็นตัวประสาน และพบว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ CMC มีความจุจำเพาะแบบผันกลับได้ 700mAh/g เป็นครั้งแรก และยังคงมี 597mAh/g หลังจากรอบ 4O ซึ่ง ดีกว่าแบตเตอรี่โดยใช้ pVDF เจ ลี และคณะ ศึกษาอิทธิพลของ Ds ของ CMC ต่อความเสถียรของสารแขวนลอยกราไฟท์ และเชื่อว่าคุณภาพของเหลวของสารแขวนลอยถูกกำหนดโดย Ds ที่ DS ต่ำ CMC มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำอย่างรุนแรง และสามารถเพิ่มปฏิกิริยากับพื้นผิวกราไฟท์ได้เมื่อใช้น้ำเป็นสื่อกลาง CMC ยังมีข้อได้เปรียบในการรักษาเสถียรภาพของคุณสมบัติไซคลิกของวัสดุแอโนดโลหะผสมซิลิคอนและดีบุก อิเล็กโทรด NiO ถูกเตรียมด้วยความเข้มข้นที่แตกต่างกัน (0.1mouL, 0.3mol/L และ 0.5mol/L) CMC และสารยึดเกาะ pVDF และชาร์จและคายประจุที่ 1.5-3.5V ด้วยกระแส 0.1c ในระหว่างรอบแรก ความจุของเซลล์สารยึดเกาะ pVDF สูงกว่าความจุของเซลล์สารยึดเกาะ CMC เมื่อจำนวนรอบถึง lO ความสามารถในการคายประจุของสารยึดเกาะ pVDF จะลดลงอย่างเห็นได้ชัด หลังจากรอบ 4JD ความสามารถในการคายประจุเฉพาะของสารยึดเกาะ 0.1movL, 0.3MOUL และ 0.5MovLPVDF ลดลงเป็น 250mAh/g, 157mAtv 'g และ 102mAh/g ตามลำดับ: ความจุเฉพาะการคายประจุของแบตเตอรี่ที่มี 0.1 moL/L, 0.3 moL/L และสารยึดเกาะ 0.5 โมล/LCMC ถูกคงไว้ที่ 698mAh/g, 555mAh/g และ 550mAh/g ตามลำดับ

เครื่องผูก CMC ใช้กับ LiTI0 : และอนุภาคนาโน SnO2 ในการผลิตภาคอุตสาหกรรม การใช้ CMC เป็นสารยึดเกาะ LiFepO4 และ Li4TI50l2 เป็นวัสดุออกฤทธิ์เชิงบวกและเชิงลบ ตามลำดับ และใช้ pYR14FS1 เป็นอิเล็กโทรไลต์สารหน่วงไฟ แบตเตอรี่ถูกหมุนเวียน 150 ครั้งที่กระแส 0.1c ที่อุณหภูมิ 1.5v ~ 3.5V และค่าเฉพาะเชิงบวก ความจุคงที่อยู่ที่ 140mAh/g ในบรรดาเกลือของโลหะต่างๆ ใน ​​CMC นั้น CMCLi ได้แนะนำไอออนของโลหะอื่นๆ ซึ่งสามารถยับยั้ง "ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยน (vii)" ในอิเล็กโทรไลต์ในระหว่างการไหลเวียน

2) กลไกการปรับปรุงประสิทธิภาพ

สารยึดเกาะ CMC Li สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดฐาน AQ ในแบตเตอรี่ลิเธียม M. E และคณะ -4 ได้ทำการศึกษากลไกเบื้องต้นและเสนอแบบจำลองการกระจายตัวของ CMC-Li ในอิเล็กโทรด AQ ประสิทธิภาพที่ดีของ CMCLi มาจากผลพันธะที่แข็งแกร่งของพันธะไฮโดรเจนที่เกิดจาก OH ซึ่งมีส่วนช่วยในการสร้างโครงสร้างตาข่ายที่มีประสิทธิภาพ CMC-Li ที่ชอบน้ำจะไม่ละลายในอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ ดังนั้นจึงมีเสถียรภาพที่ดีในแบตเตอรี่ และมีการยึดเกาะที่ดีกับโครงสร้างอิเล็กโทรด ซึ่งทำให้แบตเตอรี่มีเสถียรภาพที่ดี สารยึดเกาะ Cmc-li มีค่าการนำไฟฟ้า Li ที่ดีเนื่องจากมีกลุ่มฟังก์ชันจำนวนมากบนสายโซ่โมเลกุลของ CMC-Li ในระหว่างการปล่อยสารที่มีประสิทธิภาพออกฤทธิ์กับ Li มีอยู่ 2 แหล่ง: (1) Li ในอิเล็กโทรไลต์; (2) Li บนสายโซ่โมเลกุลของ CMC-Li ใกล้กับศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพของสารออกฤทธิ์

ปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิลและหมู่ไฮดรอกซิลในสารยึดเกาะคาร์บอกซีเมทิล CMC-Li จะก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์ ภายใต้การกระทำของแรงสนามไฟฟ้า คุณสามารถถ่ายโอนบนสายโซ่โมเลกุลหรือสายโซ่โมเลกุลที่อยู่ติดกัน กล่าวคือ โครงสร้างสายโซ่โมเลกุลจะไม่ได้รับความเสียหาย ในที่สุด Lj จะเกิดพันธะกับอนุภาค AQ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าการประยุกต์ใช้ CMCLi ไม่เพียงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายโอนของ Li เท่านั้น แต่ยังปรับปรุงอัตราการใช้ AQ อีกด้วย ยิ่งเนื้อหาของ cH: COOLi และ 10Li ในสายโซ่โมเลกุลสูงเท่าไร การถ่ายโอน Li ก็จะยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น เอ็ม อาร์มันด์ และคณะ เชื่อว่าสารประกอบอินทรีย์ -COOH หรือ OH สามารถทำปฏิกิริยากับ 1 Li ตามลำดับ และผลิต 1 C00Li หรือ 1 0Li ที่มีศักยภาพต่ำ เพื่อที่จะสำรวจกลไกของสารยึดเกาะ CMCLi ในอิเล็กโทรดเพิ่มเติม จึงใช้ CMC-Li-1 เป็นวัสดุออกฤทธิ์ และได้ข้อสรุปที่คล้ายกัน Li ทำปฏิกิริยากับหนึ่ง cH, COOH และหนึ่ง 0H จาก CMC Li และสร้าง cCH: COOLi และหนึ่ง 0 “ตามลำดับ ดังแสดงในสมการ (1) และ (2)

เมื่อจำนวน cH, COOLi และ OLi เพิ่มขึ้น DS ของ CMC-Li จะเพิ่มขึ้น นี่แสดงให้เห็นว่าชั้นอินทรีย์ที่ประกอบด้วยสารยึดเกาะบนพื้นผิวอนุภาค AQ เป็นส่วนใหญ่จะมีความเสถียรมากขึ้นและถ่ายโอน Li ได้ง่ายขึ้น CMCLi เป็นโพลีเมอร์นำไฟฟ้าที่ให้เส้นทางการลำเลียง Li ไปถึงพื้นผิวของอนุภาค AQ สารยึดเกาะ CMCLi มีค่าการนำไฟฟ้าและไอออนิกที่ดี ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าดีและมีอายุการใช้งานยาวนานของอิเล็กโทรด CMCLi เจเอส บริเดล และคณะ เตรียมขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยใช้วัสดุคอมโพสิตซิลิคอน/คาร์บอน/โพลีเมอร์ที่มีสารยึดเกาะต่างกัน เพื่อศึกษาอิทธิพลของอันตรกิริยาระหว่างซิลิคอนและโพลีเมอร์ต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ และพบว่า CMC มีประสิทธิภาพดีที่สุดเมื่อใช้เป็นสารยึดเกาะ มีพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งระหว่างซิลิคอนและ CMC ซึ่งมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองและสามารถปรับความเครียดที่เพิ่มขึ้นของวัสดุในระหว่างกระบวนการปั่นจักรยานเพื่อรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างของวัสดุ ด้วย CMC เป็นสารยึดเกาะ ความจุของซิลิคอนแอโนดสามารถรักษาไว้สูงกว่า 1,000mAh/g ในเวลาอย่างน้อย 100 รอบ และประสิทธิภาพคูลอมบ์อยู่ใกล้กับ 99.9%

3 ข้อสรุป

ในฐานะที่เป็นสารยึดเกาะ วัสดุ CMC สามารถใช้กับวัสดุอิเล็กโทรดประเภทต่างๆ เช่น กราไฟท์ธรรมชาติ คาร์บอนไมโครสเฟียร์มีโซเฟส (MCMB) ลิเธียมไททาเนต วัสดุแอโนดที่ใช้ซิลิคอนจากดีบุก และวัสดุแอโนดลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ซึ่งสามารถปรับปรุงแบตเตอรี่ได้ ความจุ ความเสถียรของวงจร และอายุการใช้งานของวงจรเปรียบเทียบกับ pYDF เป็นประโยชน์ต่อเสถียรภาพทางความร้อน การนำไฟฟ้า และคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุ CMC CMC มีสองกลไกหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน:

(1) ประสิทธิภาพการยึดเกาะที่มั่นคงของ CMC สร้างข้อกำหนดเบื้องต้นที่จำเป็นสำหรับการได้รับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่มั่นคง

(2) CMC มีการนำอิเล็กตรอนและไอออนที่ดี และสามารถส่งเสริมการถ่ายโอน Li