ผลของความเข้มข้นของ NMP ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ LFP

ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4)วัสดุอิเล็กโทรดแคโทดสารละลายที่ใช้น้ำมันมักจะใช้เอ็น-เมทิลไพโรลิโดน (NMP), ไดเมทิลซัลฟอกไซด์และไดเมทิลฟอร์มาไมด์เป็นตัวทำละลาย ซึ่งมีปัญหาเช่นการกู้คืนตัวทำละลายได้ยาก การใช้งานจำนวนมาก และมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม สารละลายน้ำที่ใช้วัสดุอิเล็กโทรดบวก LiFePO4 ใช้น้ำปราศจากไอออนเป็นตัวทำละลาย ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนต่ำ แต่แผ่นอิเล็กโทรดขั้วบวกชนิดสารยึดเกาะที่ใช้น้ำมีปัญหา เช่น ความยืดหยุ่นต่ำ การยึดเกาะที่อ่อนแอของวัสดุออกฤทธิ์ และประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าต่ำ ในบทความนี้ เราได้เตรียมแผ่นอิเล็กโทรดบวกที่มีการเติม NMP ต่างกันเพื่อศึกษาผลกระทบของ NMP ต่อประสิทธิภาพของแผ่นอิเล็กโทรดบวกที่เตรียมด้วยสารยึดเกาะสูตรน้ำ LA132.

การทดลอง

สารยึดเกาะในน้ำ LA132, คาร์บอนแบล็คที่เป็นตัวนำยิ่งยวด, น้ำปราศจากไอออน และ LiFePO4 ถูกเตรียมไปในสเลอรีที่อัตราส่วนมวล 2.5:2.5:50:40 สารละลายสี่ส่วนถูกเติมด้วย 0, 1%, 2% และ 3% NMP, หมายเลข A, B, C และ D. ปฏิทินอิเล็กโทรดบวก ทำให้อิเล็กโทรดขั้วบวกแห้งที่ 100 องศาในสุญญากาศเป็นเวลา 24 ชั่วโมงเพื่อกำจัดน้ำและ NMP และเตรียมอิเล็กโทรดบวกที่มีปริมาณวัสดุออกฤทธิ์ 95% ตัดเป็นแผ่นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 มม. ประกอบเซลล์แบบเหรียญ CR2016 พร้อมอิเล็กโทรไลต์เชิงลบของแผ่นโลหะลิเธียม, อิเล็กโทรไลต์ 1 โมล/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (อัตราส่วนปริมาตร 1:1:1) ตัวแยกโพลีโพรพีลีนพรุนขนาดเล็ก ในกล่องถุงมือที่เติมก๊าซอาร์กอนแห้ง

ขั้นแรก งอแผ่นอิเล็กโทรด A, B, C และ D 180 องศา จากนั้นทดสอบการยึดเกาะของแผ่นอิเล็กโทรดบนเครื่องทดสอบแรงดึง จากนั้นทำการทดสอบความเหนียวบนแผ่นอิเล็กโทรดบนเครื่องทดสอบความเหนียว (เส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งเพลาคือ 1, 2, 3, 4, 6, 8 และ 10 มม. ตามลำดับ) และสังเกตว่ามีรอยแตกร้าวบนพื้นผิวหรือไม่ ของแผ่นอิเล็กโทรดหลังการม้วน ความหนาแน่นกระแสไฟทดสอบการชาร์จแบตเตอรี่และการคายประจุคือ 0.1C และแรงดันทดสอบคือ 2.5~3.5V

ผลลัพธ์และการอภิปราย

รูปที่ 1 เป็นแผนภาพทดสอบการยึดเกาะของอิเล็กโทรด LiFePO4 ที่การดัดงอ 180 องศา จะเห็นได้จากรูปที่ 1 ว่าการยึดเกาะของอิเล็กโทรดได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการเติม NMP และการปรับปรุงการยึดเกาะของอิเล็กโทรดนั้นแปรผันตามปริมาณของ NMP ที่เพิ่ม การยึดเกาะเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ชนิดหนึ่งซึ่งขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุล

ในระหว่างกระบวนการผลิตแผ่นอิเล็กโทรด LiFePO4 แผ่นอิเล็กโทรดจะสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน แผ่นอิเล็กโทรดที่ให้ความร้อนจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างกลุ่มที่เป็นกรด หมู่ที่เป็นกรดขาดอิเล็กตรอนและจะสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอโดยมี (-CN) อยู่ในสารยึดเกาะที่เป็นน้ำ มันจะเปลี่ยน thixotropy ของสารละลาย ลดการไหล และทำให้การเคลือบสารละลายไม่สม่ำเสมอ หลังจากเติม NMP แล้ว จะทำให้กลุ่มกรดบนแผ่นอิเล็กโทรดเป็นกลาง สามารถลดการสูญเสียอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของแผ่นอิเล็กโทรด ป้องกันสารละลายจากทิโซโทรปี และเพิ่มการยึดเกาะระหว่างสารยึดเกาะและตัวสะสมกระแสไฟฟ้า สารละลายอิเล็กโทรดบวกจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและมีความลื่นไหลดีขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงอัตราการใช้ของสารละลายและแผ่นอิเล็กโทรด ดังนั้นการเติมตัวทำละลาย NMP ที่อุดมด้วยอิเล็กตรอนจึงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้

ตารางที่ 1 แสดงผลการทดสอบความยืดหยุ่นของแผ่นอิเล็กโทรดสี่ประเภท เมื่อสังเกตรูปที่ 1 พบว่ารอยแตกที่พื้นผิวเกิดขึ้นเมื่อเข็มม้วนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. ทดสอบขั้วบวก A และเมื่อทดสอบเข็มม้วนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. อิเล็กโทรด B~D ไม่มีรอยแตกที่พื้นผิว จะเห็นได้ว่าความยืดหยุ่นที่ต่ำที่สุดคือแผ่นอิเล็กโทรดขั้วบวกที่ใช้น้ำบริสุทธิ์ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะแตกร้าว แตกหัก และฉีกขาดระหว่างการเตรียม การเพิ่ม NMP สามารถปรับปรุงความยืดหยุ่นของแผ่นอิเล็กโทรด และเพิ่มอัตราการใช้ของแผ่นอิเล็กโทรด อนุภาคน้ำยางในสารยึดเกาะ LA132 เป็นโพลาร์โพลีเมอร์ที่แข็งแกร่งซึ่งมีแรงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งและความสามารถในการบิดต่ำ และแผ่นอิเล็กโทรดก็แตกหักง่าย ด้วยการเติม NMP เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคน้ำยางในตัวประสาน LA132 จะเพิ่มขึ้น ความสามารถในการบิดเพิ่มขึ้น ความสามารถในการหมุนของสายโซ่โมเลกุลลดลง และเพิ่มความยืดหยุ่นของแผ่นอิเล็กโทรด

ตารางที่ 2 แสดงผลการทดสอบประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าของแผ่นอิเล็กโทรด ค่าของความจุเฉพาะการคายประจุครั้งแรก ประสิทธิภาพการประจุและการปล่อยประจุ แรงดันมัธยฐานการคายประจุ และอัตราส่วนกระแสคงที่นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเท่ากัน นี่แสดงให้เห็นว่าการเพิ่ม NMP ไม่มีผลกระทบต่อความสามารถในการคายประจุและลักษณะประจุและการคายประจุของวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดบวกของแผ่นอิเล็กโทรดบวก

รูปที่ 2 ถึง 4 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนกระแสคงที่ ความจุจำเพาะของการปล่อยประจุ แรงดันมัธยฐานของการปล่อยประจุ และปริมาณการเพิ่ม NMP ของแผ่นอิเล็กโทรดทั้งสี่แผ่น

จากรูปที่ 2 พบว่าภายใต้เงื่อนไขการทดสอบเดียวกัน อัตราส่วนกระแสคงที่ในการชาร์จของแบตเตอรี่ทั้ง 4 ก้อนนั้นสูงกว่า 98.2% ทั้งหมด จากรูปที่ 3 และ 4 พบว่าความจุจำเพาะการคายประจุและแรงดันมัธยฐานของแผ่นอิเล็กโทรดเดียวกันยังคงสลายตัวต่อไปตามการเพิ่มขึ้นของอัตราการคายประจุ

ความสามารถในการคายประจุและแรงดันมัธยฐานของอิเล็กโทรด A และ B โดยพื้นฐานแล้วจะเท่ากันที่อัตราการคายประจุต่างกัน เมื่ออัตราการคายประจุเพิ่มขึ้น ค่ามัธยฐานของแรงดันและความสามารถในการคายประจุของอิเล็กโทรด C และ D จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น จะเห็นได้ว่าเมื่อเติม NMP ที่ความเข้มข้นไม่เกิน 1% ประสิทธิภาพการคายประจุของแบตเตอรี่จะไม่ได้รับผลกระทบ เมื่อเติม NMP ที่ความเข้มข้นมากกว่า 1% NMP จะส่งผลต่อความสามารถในการคายประจุและแรงดันมัธยฐานของอิเล็กโทรดบวก

รูปที่ 5 แสดงเส้นโค้งประสิทธิภาพของวงจรของแบตเตอรี่ทั้งสี่ประเภท จากการสังเกตรูปที่ 5 พบว่าที่จุดเริ่มต้นของวงจรการชาร์จและคายประจุ แนวโน้มการสลายตัวของความจุของแผ่นอิเล็กโทรด A และแผ่นอิเล็กโทรด B มีความคล้ายคลึงกัน และแนวโน้มการสลายตัวของความจุของแผ่นอิเล็กโทรด C และแผ่นอิเล็กโทรด D มีความคล้ายคลึงกัน ในขณะที่อัตราการสลายตัวของแผ่นอิเล็กโทรด C และแผ่นอิเล็กโทรด D มีขนาดใหญ่กว่า เมื่อวงจรดำเนินต่อไป การสลายตัวของแผ่นอิเล็กโทรด A, C และ D จะเพิ่มขึ้น และอัตราการสลายตัวของแผ่นอิเล็กโทรด B ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน อัตราการเก็บรักษาความจุขั้นสุดท้ายของแบตเตอรี่คือแผ่นอิเล็กโทรด D＜C＜A＜B นี่แสดงให้เห็นว่าเมื่อปริมาณของ NMP ที่เพิ่มเข้าไปน้อยกว่า 1% จะเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงลักษณะวงจรของแบตเตอรี่ และเมื่อปริมาณของ NMP ที่เพิ่มเข้าไปมากกว่า 1% ลักษณะวงจรของแบตเตอรี่จะได้รับผลกระทบ

บทสรุป

การยึดเกาะของแผ่นอิเล็กโทรดขั้วบวกสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่ม NMP และการยึดเกาะจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามปริมาณ NMP ที่เพิ่มเข้าไป หลังจากเพิ่ม NMP กลุ่มที่เป็นกรดบนอิเล็กโทรดจะถูกทำให้เป็นกลาง ซึ่งสามารถลดการสูญเสียอิเล็กตรอนบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ป้องกันสารละลายจาก thixotropy เพิ่มการยึดเกาะของสารยึดเกาะและตัวสะสมกระแส ทำให้สารละลายอิเล็กโทรดบวกกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และปรับปรุงความลื่นไหล ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการใช้ประโยชน์ของสารละลายและอิเล็กโทรด เมื่อปริมาณ NMP ที่เพิ่มเข้าไปน้อยกว่า 1% จะไม่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการคายประจุของแบตเตอรี่และสามารถปรับปรุงลักษณะรอบของแบตเตอรี่ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณของ NMP ที่เพิ่มมากกว่า 1% NMP จะส่งผลต่อความสามารถในการคายประจุและแรงดันไฟฟ้ามัธยฐานของอิเล็กโทรดบวก และลดลักษณะวงจรของแบตเตอรี่