Efectul concentrației NMP asupra performanței bateriei LFP

Fosfat de fier de litiu (LiFePO4)materialul electrodului catodicnămolul pe bază de ulei utilizează de obiceiN-metilpirolidonă (NMP), dimetil sulfoxid și dimetilformamidă ca solvenți, care au probleme precum recuperarea dificilă a solvenților, cantitatea mare de utilizare și poluarea mediului. Suspensia pe bază de apă din materialul electrodului pozitiv LiFePO4 utilizează apă deionizată ca solvent, care este ecologic și cu costuri reduse, dar foaia de electrod pozitiv de liant pe bază de apă are probleme precum flexibilitatea slabă, aderența slabă a materialelor active și performanța electrochimică slabă. În această lucrare, au fost pregătite foi de electrozi pozitivi cu cantități diferite de adaos de NMP pentru a studia efectul NMP asupra performanței foilor de electrozi pozitivi preparate culiant pe bază de apă LA132.

Experiment

Liantul apos LA132, negru de fum supraconductor, apa deionizată și LiFePO4 au fost preparate în suspensie la un raport de masă de 2,5:2,5:50:40. S-au adăugat patru porții de suspensie cu 0, 1%, 2% și 3% NMP, numerotate A, B, C și D. Calandrarea electrodului pozitiv. Uscarea electrodului pozitiv la 100 de grade în vid timp de 24 de ore pentru a îndepărta apa și NMP, iar electrodul pozitiv cu un conținut de material activ de 95% a fost preparat. Tăiați-o în discuri cu diametrul de 20 mm. Asamblați celulă monedă CR2016 cu electrod negativ din tablă de litiu, electrolit 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (raport de volum 1:1:1), separator de polipropilenă microporoasă, într-o cutie de torpedou umplută cu gaz argon.

Mai întâi, îndoiți foile cu electrozi A, B, C și D la 180 grade și apoi testați aderența foilor cu electrozi pe o mașină de testare la tracțiune. Apoi, efectuați un test de tenacitate pe foile cu electrozi pe un tester de tenacitate (diametrele tijelor arborelui sunt de 1, 2, 3, 4, 6, 8 și, respectiv, 10 mm) și observați dacă există fisuri pe suprafață a foilor electrozilor după înfăşurare. Densitatea curentului de test de încărcare și descărcare a bateriei este de 0,1 C, iar tensiunea de testare este de 2,5 ~ 3,5 V.

Rezultate și discuții

Figura 1 este o diagramă de testare a aderenței electrodului LiFePO4 la îndoire la 180 de grade. Se poate observa din figura 1 că aderența electrodului este îmbunătățită semnificativ datorită adăugării de NMP, iar îmbunătățirea aderenței electrodului este proporțională cu cantitatea de NMP adăugată. Adeziunea este un tip de forță van der Waals, care depinde de interacțiunea dintre molecule.

În timpul procesului de producție a foilor de electrozi LiFePO4, foile de electrozi vor intra inevitabil în contact cu oxigenul din aer. În timpul procesului de încălzire, foile de electrozi încălzite reacţionează cu oxigenul pentru a forma grupări acide. Grupările acide sunt lipsite de electroni și vor forma legături de hidrogen intermoleculare slabe cu (-CN) în liantul apos. Acesta va schimba tixotropia nămolului, va reduce fluiditatea și va provoca o acoperire neuniformă a nămolului. După adăugarea NMP, acesta va neutraliza grupările acide de pe foile de electrozi. Poate reduce pierderea de electroni pe suprafața foilor de electrozi, poate preveni tixotropia șlamului și poate crește aderența dintre liant și colectorul de curent. Suspensia electrodului pozitiv este dispersată uniform și fluiditatea este îmbunătățită, îmbunătățind astfel rata de utilizare a șlamului și a foilor de electrozi. Prin urmare, adăugarea de solvent NMP bogat în electroni poate îmbunătăți performanța bateriei.

Tabelul 1 prezintă rezultatele testului de flexibilitate a patru tipuri de foi de electrozi. Observând figura 1, se poate constata că au apărut crăpături la suprafață atunci când acul de înfășurare cu diametrul de 6 mm a testat electrodul pozitiv A, iar când a fost testat acul de înfășurare cu diametrul de 1 mm, electrozii B~D nu prezentau fisuri la suprafață. Se poate observa că cea mai slabă flexibilitate este foaia cu electrod pozitiv pe bază de apă pură, care este predispusă la fisuri, rupere și rupere în timpul pregătirii. Adăugarea NMP poate îmbunătăți flexibilitatea foii electrod și crește rata de utilizare a foii electrod. Particulele de latex din liantul LA132 sunt polimeri polari puternici, cu forțe intermoleculare puternice și capacitate slabă de răsucire, iar foaia de electrod este ușor de spart. Odată cu adăugarea de NMP, diametrul particulelor de latex din liantul LA132 crește, capacitatea de răsucire crește, capacitatea de rotație a lanțului molecular scade și flexibilitatea foii electrodului este îmbunătățită.

Tabelul 2 prezintă rezultatele testului de performanță electrochimică a foii de electrod. Valorile capacității specifice primei descărcări, eficiența de încărcare și de descărcare, tensiunea mediană de descărcare și raportul de curent constant sunt practic aceleași. Acest lucru arată că adăugarea de NMP nu are niciun efect asupra capacității de descărcare și a caracteristicilor de încărcare și descărcare ale materialului activ al electrodului pozitiv al foii electrodului pozitiv.

Figurile 2 până la 4 arată relația dintre raportul de curent constant, capacitatea specifică a ratei de descărcare, tensiunea mediană de descărcare și cantitatea de adăugare NMP a celor patru foi de electrozi.

Din figura 2, se poate constata că, în aceleași condiții de testare, rapoartele curentului constant de încărcare ale celor patru baterii sunt toate peste 98,2%. Din figurile 3 și 4, se poate constata că capacitatea specifică de descărcare și tensiunea medie a aceleiași foi de electrod continuă să scadă odată cu creșterea ratei de descărcare.

Capacitatea de descărcare și tensiunea medie a electrozilor A și B sunt practic aceleași la rate de descărcare diferite. Pe măsură ce viteza de descărcare crește, tensiunea medie și capacitatea de descărcare a electrozilor C și D cresc treptat. Se poate observa că atunci când se adaugă NMP la o concentrație de cel mult 1%, rata de descărcare a bateriei nu va fi afectată. Când NMP este adăugat la o concentrație mai mare de 1%, NMP va afecta capacitatea de descărcare și tensiunea medie a electrodului pozitiv.

Figura 5 prezintă curbele de performanță ciclului pentru cele patru tipuri de baterii. Prin observarea figurii 5, se poate constata că la începutul ciclului de încărcare și descărcare, tendințele de scădere a capacității ale foilor de electrozi A și ale foilor de electrozi B sunt similare, iar tendințele de decădere a capacității ale foilor de electrozi C și ale foilor de electrozi D sunt similare. , în timp ce ratele de dezintegrare ale foilor de electrozi C și ale foilor de electrozi D sunt mai mari. Pe măsură ce ciclul continuă, dezintegrarea foilor de electrod A, C și D accelerează, iar rata de dezintegrare a foii de electrod B rămâne practic neschimbată. Rata finală de reținere a capacității bateriei este foaia de electrod D＜C＜A＜B. Acest lucru arată că atunci când cantitatea de NMP adăugată este mai mică de 1%, este benefică îmbunătățirea caracteristicilor ciclului bateriei, iar când cantitatea de NMP adăugată este mai mare de 1%, caracteristicile ciclului bateriei vor fi afectate.

Concluzie

Aderența foii de electrod pozitiv poate fi îmbunătățită prin adăugarea de NMP, iar aderența crește treptat odată cu creșterea cantității de NMP adăugată. După adăugarea NMP, grupurile acide de pe electrod vor fi neutralizate, ceea ce poate reduce pierderea de electroni pe suprafața electrodului, poate preveni tixotropia șlamului, crește aderența liantului și a colectorului de curent, poate face șlamul electrodului pozitiv să fie dispersat uniform. și îmbunătățește fluiditatea, îmbunătățind astfel utilizarea suspensiei și a electrodului. Când cantitatea de NMP adăugată este mai mică de 1%, aceasta nu va afecta rata de descărcare a bateriei și poate îmbunătăți caracteristicile ciclului bateriei. Cu toate acestea, atunci când cantitatea de NMP adăugată este mai mare de 1%, NMP va afecta capacitatea de descărcare și tensiunea medie a electrodului pozitiv și va reduce caracteristicile ciclului bateriei.