Efeito da concentração de NMP no desempenho da bateria LFP

Fosfato de ferro-lítio (LiFePO4)material do eletrodo catódicopasta à base de óleo geralmente usaN-metilpirrolidona (NMP), dimetilsulfóxido e dimetilformamida como solventes, que apresentam problemas como difícil recuperação de solventes, grande quantidade de uso e poluição ambiental. A pasta à base de água do material do eletrodo positivo LiFePO4 usa água deionizada como solvente, que é ecologicamente correta e de baixo custo, mas a folha do eletrodo positivo aglutinante à base de água tem problemas como baixa flexibilidade, fraca adesão de materiais ativos e baixo desempenho eletroquímico. Neste artigo, folhas de eletrodos positivos com diferentes quantidades de adição de NMP foram preparadas para estudar o efeito do NMP no desempenho de folhas de eletrodos positivos preparadas comligante à base de água LA132.

Experimentar

O ligante aquoso LA132, negro de fumo supercondutor, água deionizada e LiFePO4 foram preparados em pasta a uma proporção de massa de 2,5:2,5:50:40. Foram adicionadas quatro porções de pasta com 0, 1%, 2% e 3% de NMP, numeradas A, B, C e D. Calandragem do eletrodo positivo. Secando o eletrodo positivo a 100 graus em vácuo por 24h para remover água e NMP, foi preparado o eletrodo positivo com teor de material ativo de 95%. Corte-o em discos de 20 mm de diâmetro. Monte a célula tipo moeda CR2016 com eletrodo negativo de folha de metal de lítio, 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (proporção de volume 1:1:1) eletrólito, separador microporoso de polipropileno, em um porta-luvas cheio de gás argônio seco.

Primeiro, dobre as folhas de eletrodo A, B, C e D em 180 graus e, em seguida, teste a adesão das folhas de eletrodo em uma máquina de teste de tração. Em seguida, realize um teste de tenacidade nas folhas dos eletrodos em um testador de tenacidade (os diâmetros das hastes do eixo são 1, 2, 3, 4, 6, 8 e 10 mm, respectivamente) e observe se há rachaduras na superfície das folhas do eletrodo após o enrolamento. A densidade da corrente de teste de carga e descarga da bateria é de 0,1C e a tensão de teste é de 2,5 ~ 3,5V.

Resultados e Discussão

A Figura 1 é um diagrama de teste da adesão do eletrodo LiFePO4 a uma flexão de 180 graus. Pode-se observar na Figura 1 que a adesão do eletrodo é significativamente melhorada devido à adição de NMP, e a melhoria da adesão do eletrodo é proporcional à quantidade de NMP adicionada. A adesão é um tipo de força de van der Waals, que depende da interação entre moléculas.

Durante o processo de produção das folhas de eletrodo LiFePO4, as folhas de eletrodo inevitavelmente entrarão em contato com o oxigênio do ar. Durante o processo de aquecimento, as folhas de eletrodos aquecidas reagem com o oxigênio para formar grupos ácidos. Os grupos ácidos não possuem elétrons e formarão ligações de hidrogênio intermoleculares fracas com (-CN) no ligante aquoso. Isso alterará a tixotropia da pasta, reduzirá a fluidez e causará revestimento irregular da pasta. Depois de adicionar NMP, ele neutralizará os grupos ácidos nas folhas dos eletrodos. Pode reduzir a perda de elétrons na superfície das folhas do eletrodo, evitar a tixotropia da pasta e aumentar a adesão entre o aglutinante e o coletor de corrente. A pasta de eletrodo positivo é uniformemente dispersa e a fluidez é melhorada, melhorando assim a taxa de utilização da pasta e das folhas de eletrodo. Portanto, a adição de solvente rico em elétrons NMP pode melhorar o desempenho da bateria.

A Tabela 1 mostra os resultados do teste de flexibilidade de quatro tipos de chapas de eletrodos. Observando a Figura 1, pode-se verificar que surgiram trincas superficiais quando a agulha de enrolamento de 6 mm de diâmetro testou o eletrodo positivo A, e quando a agulha de enrolamento de 1 mm de diâmetro foi testada, os eletrodos B ~ D não apresentaram trincas superficiais. Pode-se observar que a menor flexibilidade é a folha do eletrodo positivo à base de água pura, que está sujeita a rachaduras, quebras e rasgos durante a preparação. Adicionar NMP pode melhorar a flexibilidade da folha de eletrodos e aumentar a taxa de utilização da folha de eletrodos. As partículas de látex no aglutinante LA132 são polímeros polares fortes com fortes forças intermoleculares e baixa capacidade de torção, e a folha do eletrodo é fácil de quebrar. Com a adição de NMP, o diâmetro das partículas de látex no ligante LA132 aumenta, a capacidade de torção aumenta, a capacidade de rotação da cadeia molecular diminui e a flexibilidade da folha do eletrodo é aumentada.

A Tabela 2 mostra os resultados do teste de desempenho eletroquímico da folha de eletrodo. Os valores da capacidade específica da primeira descarga, eficiência de carga e descarga, tensão média de descarga e relação de corrente constante são basicamente os mesmos. Isto mostra que a adição de NMP não tem efeito na capacidade de descarga e nas características de carga e descarga do material ativo do eletrodo positivo da folha do eletrodo positivo.

As Figuras 2 a 4 mostram a relação entre a relação de corrente constante, a capacidade específica de descarga de taxa, a tensão mediana de descarga e a quantidade de adição de NMP das quatro folhas de eletrodo.

Na Figura 2, pode-se verificar que, nas mesmas condições de teste, as taxas de corrente constante de carga das quatro baterias estão todas acima de 98,2%. Nas Figuras 3 e 4, pode-se verificar que a capacidade específica de descarga e a tensão média da mesma folha de eletrodo continuam a decair com o aumento da taxa de descarga.

A capacidade de descarga e a tensão média dos eletrodos A e B são basicamente as mesmas em diferentes taxas de descarga. À medida que a taxa de descarga aumenta, a tensão média e a capacidade de descarga dos eletrodos C e D aumentam gradualmente. Pode-se observar que quando o NMP é adicionado em uma concentração não superior a 1%, o desempenho da taxa de descarga da bateria não será afetado. Quando o NMP é adicionado a uma concentração superior a 1%, o NMP afetará a capacidade de descarga e a tensão média do eletrodo positivo.

A Figura 5 mostra as curvas de desempenho do ciclo dos quatro tipos de baterias. Observando a Figura 5, pode-se descobrir que no início do ciclo de carga e descarga, as tendências de queda de capacidade das folhas de eletrodo A e das folhas de eletrodo B são semelhantes, e as tendências de queda de capacidade das folhas de eletrodo C e das folhas de eletrodo D são semelhantes. , enquanto as taxas de decaimento das folhas de eletrodo C e das folhas de eletrodo D são maiores. À medida que o ciclo continua, o decaimento das folhas de eletrodo A, C e D acelera e a taxa de decaimento da folha de eletrodo B permanece basicamente inalterada. A taxa final de retenção da capacidade da bateria é a folha de eletrodo D＜C＜A＜B. Isto mostra que quando a quantidade de NMP adicionada é inferior a 1%, é benéfico melhorar as características do ciclo da bateria, e quando a quantidade de NMP adicionada é superior a 1%, as características do ciclo da bateria serão afetadas.

Conclusão

A adesão da folha de eletrodo positivo pode ser melhorada pela adição de NMP, e a adesão aumenta gradualmente com o aumento da quantidade de NMP adicionada. Após a adição de NMP, os grupos ácidos no eletrodo serão neutralizados, o que pode reduzir a perda de elétrons na superfície do eletrodo, evitar a tixotropia da pasta, aumentar a adesão do aglutinante e do coletor de corrente, fazer com que a pasta do eletrodo positivo seja dispersa uniformemente , e melhorar a fluidez, melhorando assim a utilização da pasta e do eletrodo. Quando a quantidade de NMP adicionada é inferior a 1%, isso não afetará o desempenho da taxa de descarga da bateria e pode melhorar as características do ciclo da bateria. No entanto, quando a quantidade de NMP adicionada for superior a 1%, o NMP afetará a capacidade de descarga e a tensão média do eletrodo positivo e reduzirá as características do ciclo da bateria.