Влияние концентрации NMP на производительность батареи LFP

Литий-железо-фосфат (LiFePO4)материал катодного электродасуспензия на масляной основе обычно используетN-метилпирролидон (NMP), диметилсульфоксид и диметилформамид в качестве растворителей, которые имеют такие проблемы, как трудная регенерация растворителя, большое количество использования и загрязнение окружающей среды. В суспензии на водной основе материала положительного электрода LiFePO4 в качестве растворителя используется деионизированная вода, что является экологически чистым и недорогим, но лист положительного электрода со связующим на водной основе имеет такие проблемы, как плохая гибкость, слабая адгезия активных материалов и плохие электрохимические характеристики. В этой статье были подготовлены листы положительных электродов с различными количествами добавления NMP для изучения влияния NMP на характеристики листов положительных электродов, приготовленных с добавлением NMP.связующее на водной основе LA132.

Эксперимент

Водное связующее LA132, сверхпроводящую сажу, деионизированную воду и LiFePO4 готовили в виде суспензии в массовом соотношении 2,5:2,5:50:40. Добавляли четыре порции суспензии с 0, 1%, 2% и 3% NMP, пронумерованные A, B, C и D. Каландрирование положительного электрода. Положительный электрод сушили при 100 градусах в вакууме в течение 24 часов для удаления воды и NMP и получали положительный электрод с содержанием активного материала 95%. Нарезаем его дисками диаметром 20 мм. Соберите монетный элемент CR2016 с отрицательным электродом из листового лития, электролитом 1 моль/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (объемное соотношение 1:1:1), сепаратором из микропористого полипропилена, в перчаточном боксе, заполненном сухим аргоном.

Сначала согните листы электродов A, B, C и D на 180 градусов, а затем проверьте адгезию листов электродов на машине для испытания на растяжение. Затем произвести испытание электродных листов на ударной вязкости (диаметры стержней вала соответственно 1, 2, 3, 4, 6, 8 и 10 мм) и наблюдать, нет ли на поверхности трещин. электродных листов после намотки. Плотность испытательного тока заряда и разряда аккумулятора составляет 0,1C, а испытательное напряжение составляет 2,5–3,5 В.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлена ​​схема испытаний адгезии электрода LiFePO4 при изгибе на 180 градусов. Из рисунка 1 видно, что адгезия электрода значительно улучшается благодаря добавлению NMP, причем улучшение адгезии электрода пропорционально количеству добавленного NMP. Адгезия – это разновидность силы Ван-дер-Ваальса, которая зависит от взаимодействия между молекулами.

В процессе производства электродных листов LiFePO4 электродные листы неизбежно вступают в контакт с кислородом воздуха. В процессе нагрева нагретые листы электродов реагируют с кислородом с образованием кислотных групп. Кислотные группы лишены электронов и образуют слабые межмолекулярные водородные связи с (-CN) в водном связующем. Это изменит тиксотропию суспензии, уменьшит текучесть и приведет к неравномерному покрытию суспензии. После добавления NMP он нейтрализует кислотные группы на пластинах электродов. Это может уменьшить потерю электронов на поверхности электродных листов, предотвратить тиксотропию суспензии и увеличить адгезию между связующим веществом и токосъемником. Суспензия положительного электрода равномерно диспергируется, а текучесть улучшается, тем самым улучшая степень использования суспензии и электродных листов. Следовательно, добавление богатого электронами растворителя NMP может улучшить характеристики батареи.

В таблице 1 представлены результаты испытания на гибкость четырех типов электродных листов. Наблюдая за рисунком 1, можно обнаружить, что поверхностные трещины появились, когда намоточная игла диаметром 6 мм проверяла положительный электрод A, а когда была испытана намоточная игла диаметром 1 мм, электроды B~D не имели поверхностных трещин. Видно, что наименьшую гибкость имеет лист положительных электродов на основе чистой воды, который склонен к образованию трещин, поломок и разрывов во время подготовки. Добавление NMP может улучшить гибкость электродного листа и увеличить коэффициент использования электродного листа. Частицы латекса в связующем LA132 представляют собой прочные полярные полимеры с сильными межмолекулярными силами и плохой способностью к скручиванию, а электродный лист легко сломать. При добавлении НМП увеличивается диаметр частиц латекса в связующем ЛА132, повышается скручивающая способность, снижается способность к вращению молекулярных цепей, повышается гибкость электродного листа.

В таблице 2 показаны результаты испытаний электрохимических характеристик пластинчатого электрода. Значения удельной емкости первого разряда, эффективности заряда и разряда, среднего напряжения разряда и коэффициента постоянного тока в основном одинаковы. Это показывает, что добавление NMP не влияет на разрядную емкость и характеристики заряда и разряда активного материала положительного электрода листа положительного электрода.

На рисунках 2–4 показана взаимосвязь между коэффициентом постоянного тока, удельной емкостью разряда, медианным напряжением разряда и количеством добавленного NMP четырех электродных листов.

Из рисунка 2 видно, что при одних и тех же условиях испытаний коэффициенты зарядного постоянного тока всех четырех батарей превышают 98,2%. Из рисунков 3 и 4 видно, что удельная емкость разряда и среднее напряжение одного и того же электродного листа продолжают уменьшаться с увеличением скорости разряда.

Разрядная емкость и среднее напряжение электродов A и B в основном одинаковы при разных скоростях разряда. По мере увеличения скорости разряда среднее напряжение и разрядная емкость электродов C и D постепенно увеличиваются. Видно, что добавление NMP в концентрации не более 1% не повлияет на скорость разряда аккумулятора. Когда NMP добавляется в концентрации более 1%, NMP будет влиять на разрядную емкость и среднее напряжение положительного электрода.

На рисунке 5 показаны кривые циклической производительности четырех типов батарей. Наблюдая за рисунком 5, можно обнаружить, что в начале цикла зарядки и разрядки тенденции снижения емкости электродных листов A и электродных листов B аналогичны, а тенденции снижения емкости электродных листов C и электродных листов D аналогичны. , при этом скорости распада электродных листов C и электродных листов D больше. По мере продолжения цикла разрушение электродных листов A, C и D ускоряется, а скорость разрушения электродного листа B остается практически неизменной. Окончательный коэффициент сохранения емкости батареи равен листу электродов D＜C＜A＜B. Это показывает, что когда количество добавленного NMP составляет менее 1%, полезно улучшить циклические характеристики батареи, а когда количество добавленного NMP превышает 1%, это повлияет на циклические характеристики батареи.

Заключение

Адгезию листа положительного электрода можно улучшить путем добавления NMP, причем адгезия постепенно увеличивается с увеличением количества добавленного NMP. После добавления NMP кислотные группы на электроде будут нейтрализованы, что может уменьшить потерю электронов на поверхности электрода, предотвратить тиксотропию суспензии, увеличить адгезию связующего вещества и токосъемника, сделать суспензию положительного электрода равномерно диспергированной. и улучшить текучесть, тем самым улучшая использование суспензии и электрода. Когда количество добавленного NMP составляет менее 1%, это не влияет на скорость разряда батареи и может улучшить циклические характеристики батареи. Однако, когда количество добавленного NMP превышает 1%, NMP будет влиять на разрядную емкость и среднее напряжение положительного электрода и снижать циклические характеристики батареи.