Es wird erwartet, dass schwefelbasierte Festkörperbatterien aufgrund ihrer überlegenen Sicherheitsleistung die aktuellen Lithium-Ionen-Batterien ersetzen werden. Jedoch gibt es beim Herstellungsverfahren von Feststoffbatterieschlamm inkompatible Polaritäten zwischen Lösungsmittel, Bindemittel und Sulfidelektrolyt, so dass es derzeit keine Möglichkeit gibt, eine Produktion im großen Maßstab zu erreichen. Derzeit wird an Festkörperbatterien hauptsächlich im Labormaßstab geforscht, und das Volumen der Batterie ist relativ klein. Die Massenproduktion von Festkörperbatterien geht immer noch in Richtung des bestehenden Produktionsprozesses, dh der Wirkstoff wird zu einer Aufschlämmung aufbereitet und dann beschichtet und getrocknet, was niedrigere Kosten und eine höhere Effizienz haben kann.

mit bei einem

Schwierigkeiten konfrontiert

Daher ist es schwierig, geeignete Polymerbindemittel und Lösungsmittel zu finden, um die flüssige Lösung zu unterstützen. Die meisten Festelektrolyten auf Schwefelbasis können in polaren Lösungsmitteln, wie dem derzeit von uns verwendeten NMP, gelöst werden. Die Wahl des Lösungsmittels kann also nur auf unpolare oder relativ schwache Polarität des Lösungsmittels ausgerichtet sein, wodurch auch die Auswahl des Bindemittels entsprechend eng ist – die meisten polaren funktionellen Gruppen des Polymers können nicht verwendet werden!

Dies ist nicht das schlimmste Problem. In Bezug auf die Polarität führen Bindemittel, die mit Lösungsmitteln und Sulfidelektrolyten relativ verträglich sind, zu einer verringerten Bindung zwischen Aggregaten und Wirkstoffen und Elektrolyten, was zweifellos zu einer extremen Elektrodenimpedanz und einem schnellen Kapazitätsabbau führt, was der Batterieleistung extrem abträglich ist.

Um die obigen Anforderungen zu erfüllen, können die drei Hauptsubstanzen (Bindemittel, Lösungsmittel, Elektrolyt) ausgewählt werden, nur unpolare oder schwach polare Lösungsmittel, wie z. B. para-(P)-Xylol, Toluol, n-Hexan, Anisol usw. ., unter Verwendung von schwach polaren Polymerbindemitteln, wie Butadienkautschuk (BR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), SEBS, Polyvinylchlorid (PVC), Nitrilkautschuk (NBR), Silikonkautschuk und Ethylcellulose, um die erforderliche Leistung zu erfüllen .

zwei

In-situ-Polar-Unpolar-Umwandlungsschema

In diesem Beitrag wird ein neuer Bindemitteltyp vorgestellt, der die Polarität der Elektrode während der Bearbeitung durch Schutz-Ent-Schutz-Chemie ändern kann. Die polaren funktionellen Gruppen dieses Bindemittels werden durch unpolare funktionelle tert-Butylgruppen geschützt, so dass das Bindemittel bei der Herstellung der Elektrodenpaste an den Sulfidelektrolyten (hier LPSCl) angepasst werden kann. Durch die Wärmebehandlung, nämlich den Trocknungsprozess der Elektrode, kann dann die funktionelle tert-Butylgruppe des polymeren Bindemittels thermisch gespalten werden, um den Schutzzweck zu erreichen und schließlich das polare Bindemittel zu erhalten. Siehe Abbildung A.

Das Bild

BR (Butadiene Rubber) wurde als Polymerbindemittel für Sulfid-Festkörperbatterien ausgewählt, indem die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode verglichen wurden. Neben der Verbesserung der mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften von Festkörperbatterien eröffnet diese Forschung einen neuen Ansatz für das Design von Polymerbindern, bei dem es sich um einen chemischen Schutz-Ent-Schutz-Ansatz handelt, um Elektroden im geeigneten und gewünschten Zustand bei . zu halten verschiedene Stadien der Elektrodenherstellung.

Dann wurden Polytert-Butylacrylat (TBA) und sein Blockcopolymer, Polytert-Butylacrylat – b-Poly 1-Butadien (TBA-B-BR), dessen funktionelle Carbonsäuregruppen durch thermolysierte T-Butylgruppen geschützt sind, ausgewählt in das Experiment. Tatsächlich ist TBA der Vorläufer von PAA, das üblicherweise in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, aber aufgrund seiner Polaritätsfehlanpassung nicht in sulfidbasierten vollfesten Lithiumbatterien verwendet werden kann. Die starke Polarität von PAA kann heftig mit Sulfidelektrolyten reagieren, aber mit der schützenden funktionellen Carbonsäuregruppe von T-Butyl kann die Polarität von PAA verringert werden, sodass es sich in unpolaren oder schwach polaren Lösungsmitteln lösen kann. Nach der Wärmebehandlung wird die t-Butylestergruppe zersetzt, um Isobuten freizusetzen, was zur Bildung von Carbonsäure führt, wie in Abbildung B gezeigt. Die Produkte der beiden entschützten Polymere werden durch (entschütztes) TBA und (entschütztes) TBA dargestellt. B-BR.

Das Bild

Schließlich kann sich das paA-ähnliche Bindemittel gut mit NCM verbinden, während der gesamte Prozess in situ stattfindet. Es versteht sich, dass dies das erste Mal ist, dass ein In-situ-Polaritätsumwandlungsschema in einer Festkörper-Lithiumbatterie verwendet wird.

Bezüglich der Temperatur der Wärmebehandlung wurde bei 120 °C kein offensichtlicher Massenverlust beobachtet, während die entsprechende Masse der Butylgruppe nach 15 Stunden bei 160 °C verloren ging. Dies weist darauf hin, dass es eine bestimmte Temperatur gibt, bei der Butyl entfernt werden kann (bei der tatsächlichen Produktion ist diese Temperaturzeit zu lang, ob es eine geeignetere Temperatur oder Bedingung zur Verbesserung der Produktionseffizienz gibt, bedarf weiterer Forschung und Diskussion). Ft-ir-Ergebnisse von Materialien vor und nach der Entschützung zeigten auch, dass der Festelektrolyt den Entschützungsprozess nicht störte. Der Klebstofffilm wurde mit dem Klebstoff vor und nach dem Entschützen hergestellt, und das Ergebnis zeigte, dass der Klebstoff nach dem Entschützen eine stärkere Haftung mit dem Flüssigkeitssammler aufwies. Um die Verträglichkeit des Bindemittels und des Elektrolyten vor und nach der Entschützung zu testen, wurden XRD- und Raman-Analysen durchgeführt, und die Ergebnisse zeigten, dass der LPSCl-Festelektrolyt eine gute Verträglichkeit mit dem getesteten Bindemittel aufwies.

Stellen Sie als Nächstes einen All-Solid-State-Akku her und sehen Sie, wie er funktioniert. Unter Verwendung von NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ Binder 2% zeigt die Ablösefestigkeit der Polbleche, dass die Ablösefestigkeit am größten ist, wenn das Bindemittel tBA-B-BR verwendet wird (wie in Abbildung 1). Auch die Abziehzeit hat einen Einfluss auf die Abziehfestigkeit. Das entschützte TBA-Elektrodenblatt ist spröde und leicht zu brechen, daher wird TBA-B-BR mit guter Flexibilität und hoher Schälfestigkeit als Hauptbindemittel zum Testen der Batterieleistung ausgewählt.

Abbildung 1. Schälfestigkeit mit verschiedenen Bindemitteln

Das Bindemittel selbst ist ionisch isolierend. Um die Wirkung der Bindemittelzugabe auf die Ionenleitfähigkeit zu untersuchen, wurden zwei Versuchsgruppen durchgeführt, wobei eine Gruppe 97.5 % Elektrolyt + 2.5 % Bindemittel enthielt und die andere Gruppe kein Bindemittel enthielt. Es zeigte sich, dass die Ionenleitfähigkeit ohne Binder 4.8 x 10-3 SCM-1 betrug und die Leitfähigkeit mit Binder ebenfalls 10-3 Größenordnungen betrug. Die elektrochemische Stabilität von TBA-B-BR wurde durch CV-Test nachgewiesen.

drei

Halber Akku und volle Akkuleistung

Viele Vergleichstests zeigen, dass das entschützte Bindemittel eine bessere Haftung hat und keinen Einfluss auf die Migration von Lithiumionen hat. Verwendung verschiedener aus Bindemittel hergestellter Halbzellen zum Testen der elektrochemischen Eigenschaften, verschiedene experimentelle Halbzellen jeweils durch Mischen mit Bindemittel das Positiv, kein Bindemittel des Festelektrolyten und Li – In der Elektrode von Einfaktor-Experimenten, nicht mit Bindemittel gemischt Im Festelektrolyt, um zu beweisen, dass der unterschiedliche Einfluss auf das Anodenbindemittel. Die Ergebnisse der elektrochemischen Leistung sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

Das Bild

In der Abbildung oben: a. ist die Halbzellenzyklusleistung verschiedener Bindemittel, wenn die Dichte der positiven Oberfläche 8 mg/cm2 beträgt, und B ist die Halbzellenzyklusleistung verschiedener Bindemittel, wenn die Dichte der positiven Oberfläche 16 mg/cm2 beträgt. Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass (entschütztes) TBA-B-BR eine deutlich bessere Batteriezyklusleistung als andere Bindemittel aufweist, und das Zyklusdiagramm wird mit dem Schälfestigkeitsdiagramm verglichen, das zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der Pole eine Rolle spielen wichtige Rolle bei der Leistung der Zyklusleistung.

Das Bild

Die linke Abbildung zeigt den EIS der NCM711/Li-IN-Halbzelle vor dem Zyklus und die rechte Abbildung zeigt den EIS der Halbzelle ohne den Zyklus von 0.1c für 50 Wochen. Der EIS einer Halbzelle unter Verwendung von (entschütztem) TBA-B-BR bzw. BR-Binder. Aus dem EIS-Diagramm lässt sich wie folgt schließen:

1. Unabhängig von der Anzahl der Zyklen beträgt die Elektrolytschicht RSE jeder Batterie etwa 10 ω cm2, was den inhärenten Durchgangswiderstand des Elektrolyten LPSCl darstellt 2. Die Ladungsübertragungsimpedanz (RCT) stieg während des Zyklus, aber die ERHÖHUNG der RCT mit BR-Bindemittel war signifikant höher als bei Verwendung von tBA-B-BR-Bindemittel. Es ist zu erkennen, dass die Bindung zwischen den Wirkstoffen mit BR-Bindemittel nicht sehr stark war und sich im Kreislauf lockerte.

Das Bild

SEM wurde verwendet, um den Querschnitt von Polscheiben in verschiedenen Zuständen zu beobachten, und die Ergebnisse sind in der Abbildung oben gezeigt: a. Tba-b-br vor der Zirkulation (Entschützung); B. vor Umlauf BR; C. TBA-B-BR nach 25 Wochen (Entschützung); D. nach 25 Wochen BR;

Zyklus, bevor alle Elektroden beobachtet werden können engen Kontakt zwischen aktiven Partikeln, kann nur kleine Löcher sehen, aber nach 25-Wochen-Zyklus, kann die offensichtliche Veränderung sehen, verwendet in c (Abheben) assoziiert – b – die positive Aktivität der BR meisten Partikel oder keine Risse, und aufgrund der Elektrodenaktivität von BR-Bindepartikeln gibt es viele Risse in der Mitte. Wie im gelben Bereich von D gezeigt, werden außerdem Elektrolyt- und NCM-Partikel stärker getrennt, was wichtige Gründe für die Batterie sind Leistungsdämpfung.

Das Bild

Schließlich wird die Leistung des gesamten Akkus überprüft. Die positive Elektrode NCM711/ negative Elektrode Graphit kann im ersten Zyklus 153 mAh/g erreichen und nach 85.5 Zyklen 45% halten.

vier

Eine kurze Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei All-Solid-State-Lithiumbatterien fester Kontakt zwischen Wirkstoffen, hohe mechanische Eigenschaften und Grenzflächenstabilität die wichtigsten sind, um eine hohe elektrochemische Leistung zu erzielen.