Ứng dụng CMC trong ngành Pin

Natri carboxymethyl cellulose là gì?

Natri Carboxymethyl cellulose, (còn gọi là: muối natri Carboxymethyl cellulose, Carboxymethyl cellulose, CMC, Carboxymethyl, CelluloseSodium, NatrisaltofCaboxyMethylCellulose) là loại chất xơ được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, với liều lượng tối đa.

Cmc-na là một dẫn xuất cellulose có mức độ trùng hợp 100 ~ 2000 và trọng lượng phân tử là 242,16. Bột dạng sợi hoặc dạng hạt màu trắng. Không mùi, không vị, không vị, hút ẩm, không tan trong dung môi hữu cơ. Bài viết này chủ yếu tìm hiểu ứng dụng của natri carboxymethyl cellulose trong chi tiết pin lithium ion.

Tiến độ ứng dụng Natri carboxymethyl cellulose CMCtrong pin lithium ion

Hiện nay, polyvinylidene fluoride [pVDF, (CH: A CF:)] được sử dụng rộng rãi làm chất kết dính trong sản xuất pin lithium ion. . PVDF không chỉ đắt tiền mà còn cần sử dụng trong quá trình ứng dụng các dung môi hữu cơ dễ nổ, thân thiện với môi trường như N methyl mà ankan ketone (NMp) và yêu cầu về độ ẩm không khí cho quá trình sản xuất một cách nghiêm ngặt, cũng dễ dàng nhúng vào. phản ứng thứ cấp lithium kim loại, lithium than chì, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao, nguy cơ thoát nhiệt tự phát. Natri carboxymethyl cellulose (CMC), một chất kết dính hòa tan trong nước, được sử dụng thay thế pVDF cho vật liệu điện cực, có thể tránh sử dụng NMP, giảm chi phí và giảm ô nhiễm môi trường. Đồng thời, quá trình sản xuất không yêu cầu độ ẩm môi trường mà còn có thể nâng cao dung lượng của ắc quy, kéo dài tuổi thọ của chu trình. Trong bài báo này, vai trò của CMC đối với hiệu suất của pin lithium ion đã được xem xét và cơ chế cải thiện hiệu suất của pin CMC được tóm tắt từ các khía cạnh về độ ổn định nhiệt, độ dẫn điện và đặc tính điện hóa.

1. Cơ cấu và hoạt động của CMC

1) Cấu trúc CMC

CMC thường được phân loại theo mức độ thay thế (Ds) khác nhau và hình thái cũng như hiệu suất của sản phẩm bị ảnh hưởng rất nhiều bởi Ds. LXie và cộng sự. đã nghiên cứu THE CMC với D của các cặp Na khác nhau. Kết quả phân tích SEM cho thấy CMC-Li-1 (Ds = 1,00) có cấu trúc dạng hạt và CMC-Li-2 (Ds = 0,62) có cấu trúc tuyến tính. Nghiên cứu của M. E và cộng sự đã chứng minh rằng CMC. Cao su styren butadien (SBR) có thể ức chế sự kết tụ của Li:O và ổn định cấu trúc giao diện, có lợi cho hiệu suất điện hóa.

2) Hiệu suất CMC

2.1 )Độ ổn định nhiệt

Zj Han và cộng sự. nghiên cứu tính ổn định nhiệt của các chất kết dính khác nhau. Nhiệt độ tới hạn của pVDF là khoảng 4500C. Khi đạt tới 500oC, sự phân hủy nhanh chóng xảy ra và khối lượng giảm khoảng 70%. Khi nhiệt độ đạt tới 600oC, khối lượng tiếp tục giảm 70%. Khi nhiệt độ đạt tới 300oC, khối lượng của CMC-Li giảm đi 70%. Khi nhiệt độ đạt tới 400oC, khối lượng CMC-Li giảm 10%. CMCLi dễ bị phân hủy hơn pVDF khi hết pin.

2.2 )Độ dẫn điện

S. Chou và cộng sự. Kết quả thử nghiệm cho thấy điện trở suất của CMCLI-1, CMC-Li-2 và pVDF lần lượt là 0,3154 Mn·m và 0,2634 Mn. M và 20,0365 Mn·m, cho thấy điện trở suất của pVDF cao hơn CMCLi, độ dẫn điện của CMC-LI tốt hơn pVDF và độ dẫn điện của CMCLI.1 thấp hơn CMCLI.2.

2.3)Hiệu suất điện hóa

FM Courtel và cộng sự. đã nghiên cứu các đường cong vôn kế tuần hoàn của các điện cực dựa trên poly-sulfonate (AQ) khi sử dụng các chất kết dính khác nhau. Các chất kết dính khác nhau có phản ứng oxi hóa và khử khác nhau nên thế năng cực đại cũng khác nhau. Trong số đó, thế oxy hóa của CMCLi là 2,15V và thế khử là 2,55V. Thế oxy hóa và thế khử của pVDF lần lượt là 2,605 V và 1,950 V. So với các đường cong vôn kế tuần hoàn của hai lần trước, chênh lệch điện thế cực đại của cực đại oxy hóa-khử khi sử dụng chất kết dính CMCLi nhỏ hơn so với khi sử dụng pVDF, cho thấy phản ứng ít bị cản trở hơn và chất kết dính CMCLi thuận lợi hơn cho xảy ra phản ứng oxi hóa khử.

2. Tác dụng và cơ chế ứng dụng của CMC

1) Hiệu ứng ứng dụng

Pj Suo và cộng sự. đã nghiên cứu hiệu suất điện hóa của vật liệu composite Si/C khi sử dụng pVDF và CMC làm chất kết dính và phát hiện ra rằng pin sử dụng CMC có dung lượng riêng thuận nghịch 700mAh/g lần đầu tiên và vẫn có 597mAh/g sau chu kỳ 4O. vượt trội hơn so với pin sử dụng pVDF. Jh Lee và cộng sự. đã nghiên cứu ảnh hưởng của Ds của CMC đến độ ổn định của huyền phù than chì và tin rằng chất lượng chất lỏng của huyền phù được xác định bởi Ds. Ở DS thấp, CMC có đặc tính kỵ nước mạnh và có thể làm tăng phản ứng với bề mặt than chì khi sử dụng nước làm môi trường. CMC còn có ưu điểm trong việc duy trì ổn định tính chất tuần hoàn của vật liệu anode hợp kim silicon – thiếc. Các điện cực NiO được điều chế với các nồng độ khác nhau (0,1mouL, 0,3mol/L và 0,5mol/L) chất kết dính CMC và pVDF, được tích điện và phóng điện ở 1,5-3,5V với dòng điện 0,1c. Trong chu kỳ đầu tiên, công suất của tế bào chất kết dính pVDF cao hơn tế bào chất kết dính CMC. Khi số chu kỳ đạt tới lO thì khả năng phóng điện của chất kết dính pVDF giảm rõ rệt. Sau chu kỳ 4JD, công suất xả riêng của chất kết dính 0,1movL, 0,3MOUL và 0,5MovLPVDF giảm xuống lần lượt là 250mAh/g, 157mAtv 'g và 102mAh/g: Công suất xả riêng của pin với 0,1 mol/L, 0,3 moL/L và chất kết dính 0,5 mol/LCMC được giữ ở mức 698mAh/g, lần lượt là 555mAh/g và 550mAh/g.

Chất kết dính CMC được sử dụng trên LiTI0. : và hạt nano SnO2 trong sản xuất công nghiệp. Sử dụng CMC làm chất kết dính, LiFepO4 và Li4TI50l2 làm vật liệu hoạt động dương và âm tương ứng, đồng thời sử dụng pYR14FS1 làm chất điện phân chống cháy, pin được quay 150 lần ở dòng điện 0,1c ở nhiệt độ 1,5v ~ 3,5V và điện dung riêng dương điện dung được duy trì ở mức 140mAh/g. Trong số các muối kim loại khác nhau trong CMC, CMCLi đưa vào các ion kim loại khác, có thể ức chế “phản ứng trao đổi (vii)” trong chất điện phân trong quá trình tuần hoàn.

2) Cơ chế cải thiện hiệu suất

Chất kết dính CMC Li có thể cải thiện hiệu suất điện hóa của điện cực cơ sở AQ trong pin lithium. M. E và cộng sự. -4 đã tiến hành nghiên cứu sơ bộ về cơ chế và đề xuất mô hình phân bố CMC-Li trong điện cực AQ. Hiệu suất tốt của CMCLi đến từ hiệu ứng liên kết mạnh mẽ của các liên kết hydro được tạo ra bởi OH, góp phần hình thành các cấu trúc lưới một cách hiệu quả. CMC-Li ưa nước sẽ không hòa tan trong chất điện phân hữu cơ nên có độ ổn định tốt trong pin và có độ bám dính mạnh với cấu trúc điện cực, giúp pin có độ ổn định tốt. Chất kết dính Cmc-li có độ dẫn Li tốt vì có số lượng lớn các nhóm chức trên chuỗi phân tử của CMC-Li. Trong quá trình phóng điện có 2 nguồn chất tác dụng với Li: (1) Li trong chất điện phân; (2) Li trên chuỗi phân tử CMC-Li gần tâm tác dụng của hoạt chất.

Phản ứng của nhóm hydroxyl và nhóm hydroxyl trong chất kết dính carboxymethyl CMC-Li sẽ hình thành liên kết cộng hóa trị; Dưới tác dụng của lực điện trường, U có thể chuyển trên chuỗi phân tử hoặc chuỗi phân tử liền kề, nghĩa là cấu trúc chuỗi phân tử sẽ không bị phá hủy; Cuối cùng, Lj sẽ liên kết với hạt AQ. Điều này chỉ ra rằng việc áp dụng CMCLi không chỉ cải thiện hiệu suất truyền của Li mà còn cải thiện tốc độ sử dụng AQ. Hàm lượng cH: COOLi và 10Li trong chuỗi phân tử càng cao thì việc chuyển Li càng dễ dàng. M. Arrmand và cộng sự. tin rằng các hợp chất hữu cơ của -COOH hoặc OH có thể phản ứng tương ứng với 1 Li và tạo ra 1 C00Li hoặc 1 0Li ở thế năng thấp. Để khám phá sâu hơn về cơ chế của chất kết dính CMCLi trong điện cực, CMC-Li-1 đã được sử dụng làm vật liệu hoạt động và đã thu được kết luận tương tự. Li phản ứng với một cH, COOH và một 0H từ CMC Li và tạo ra cH: COOLi và một 0” tương ứng, như thể hiện trong các phương trình (1) và (2)

Khi số lượng cH, COOLi và OLi tăng lên thì THE DS của CMC-Li cũng tăng lên. Điều này cho thấy lớp hữu cơ gồm chủ yếu là chất kết dính bề mặt hạt AQ trở nên ổn định hơn và chuyển Li dễ dàng hơn. CMCLi là một loại polymer dẫn điện cung cấp lộ trình vận chuyển để Li tiếp cận bề mặt của các hạt AQ. Chất kết dính CMCLi có độ dẫn điện tử và ion tốt, mang lại hiệu suất điện hóa tốt và tuổi thọ dài của điện cực CMCLi. JS Bridel và cộng sự. đã chế tạo cực dương của pin lithium ion bằng vật liệu hỗn hợp silicon/carbon/polymer với các chất kết dính khác nhau để nghiên cứu ảnh hưởng của sự tương tác giữa silicon và polymer đến hiệu suất tổng thể của pin và nhận thấy rằng CMC có hiệu suất tốt nhất khi được sử dụng làm chất kết dính. Có một liên kết hydro mạnh mẽ giữa silicon và CMC, có khả năng tự phục hồi và có thể điều chỉnh ứng suất ngày càng tăng của vật liệu trong quá trình đạp xe để duy trì sự ổn định của cấu trúc vật liệu. Với CMC làm chất kết dính, công suất của cực dương silicon có thể được giữ trên 1000mAh/g trong ít nhất 100 chu kỳ và hiệu suất Coulomb gần 99,9%.

3, kết luận

Là chất kết dính, vật liệu CMC có thể được sử dụng trong các loại vật liệu điện cực khác nhau như than chì tự nhiên, vi cầu carbon pha meso (MCMB), lithium titanate, vật liệu cực dương dựa trên silicon dựa trên thiếc và vật liệu cực dương lithium sắt photphat, có thể cải thiện pin công suất, độ ổn định chu kỳ và tuổi thọ chu kỳ so với pYDF. Nó có lợi cho sự ổn định nhiệt, tính dẫn điện và tính chất điện hóa của vật liệu CMC. Có hai cơ chế chính để CMC cải thiện hiệu suất của pin lithium ion:

(1) Hiệu suất liên kết ổn định của CMC tạo ra điều kiện tiên quyết cần thiết để đạt được hiệu suất ổn định của pin;

(2) CMC có độ dẫn điện tử và ion tốt và có thể thúc đẩy quá trình chuyển Li