સલ્ફર-આધારિત ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીઓ તેમની શ્રેષ્ઠ સલામતી કામગીરીને કારણે વર્તમાન લિથિયમ-આયન બેટરીને બદલે તેવી અપેક્ષા છે. જો કે, ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી સ્લરી તૈયાર કરવાની પ્રક્રિયામાં, દ્રાવક, બાઈન્ડર અને સલ્ફાઈડ ઈલેક્ટ્રોલાઈટ વચ્ચે અસંગત ધ્રુવીયતા છે, તેથી હાલમાં મોટા પાયે ઉત્પાદન હાંસલ કરવાનો કોઈ રસ્તો નથી. હાલમાં, ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી પર સંશોધન મુખ્યત્વે લેબોરેટરી સ્કેલ પર હાથ ધરવામાં આવે છે, અને બેટરીનું પ્રમાણ પ્રમાણમાં નાનું છે. ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીનું મોટા પાયે ઉત્પાદન હજી પણ હાલની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા તરફ છે, એટલે કે, સક્રિય પદાર્થને સ્લરીમાં તૈયાર કરવામાં આવે છે અને પછી કોટેડ અને સૂકવવામાં આવે છે, જેની કિંમત ઓછી અને વધુ કાર્યક્ષમતા હોઈ શકે છે.

એક

મુશ્કેલીઓનો સામનો કરવો પડ્યો

તેથી, પ્રવાહી દ્રાવણને ટેકો આપવા માટે યોગ્ય પોલિમર બાઈન્ડર અને દ્રાવક શોધવું મુશ્કેલ છે. મોટાભાગના સલ્ફર-આધારિત ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ધ્રુવીય દ્રાવકોમાં ઓગળી શકાય છે, જેમ કે NMP અમે હાલમાં ઉપયોગ કરીએ છીએ. તેથી દ્રાવકની પસંદગી ફક્ત દ્રાવકની બિન-ધ્રુવીય અથવા પ્રમાણમાં નબળી ધ્રુવીયતા માટે પક્ષપાતી હોઈ શકે છે, જેનો અર્થ છે કે બાઈન્ડરની પસંદગી પણ અનુરૂપ રીતે સાંકડી છે – પોલિમરના મોટાભાગના ધ્રુવીય કાર્યાત્મક જૂથોનો ઉપયોગ કરી શકાતો નથી!

આ સૌથી ખરાબ સમસ્યા નથી. ધ્રુવીયતાના સંદર્ભમાં, દ્રાવકો અને સલ્ફાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથે પ્રમાણમાં સુસંગત હોય તેવા બાઈન્ડર એગ્રીગેટ્સ અને સક્રિય પદાર્થો અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ વચ્ચેના બોન્ડમાં ઘટાડો તરફ દોરી જશે, જે નિઃશંકપણે અત્યંત ઇલેક્ટ્રોડ અવબાધ અને ઝડપી ક્ષમતાના ક્ષય તરફ દોરી જશે, જે બેટરીની કામગીરી માટે અત્યંત હાનિકારક છે.

ઉપરોક્ત આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરવા માટે, ત્રણ મુખ્ય પદાર્થો (બાઈન્ડર, દ્રાવક, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ) પસંદ કરી શકાય છે, માત્ર બિન-ધ્રુવીય અથવા નબળા ધ્રુવીય દ્રાવકો, જેમ કે પેરા-(P) ઝાયલીન, ટોલ્યુએન, એન-હેક્સેન, એનિસોલ, વગેરે. ., નબળા ધ્રુવીય પોલિમર બાઈન્ડરનો ઉપયોગ કરીને, જેમ કે બ્યુટાડીન રબર (BR), સ્ટાયરીન બ્યુટાડીન રબર (SBR), SEBS, પોલીવિનાઈલ ક્લોરાઈડ (PVC), નાઈટ્રિલ રબર (NBR), સિલિકોન રબર અને એથિલ સેલ્યુલોઝ, જરૂરી કામગીરી પૂરી કરવા માટે. .

બે

ઇન સિટુ પોલર – નોન-પોલર કન્વર્ઝન સ્કીમ

આ પેપરમાં, એક નવા પ્રકારનું બાઈન્ડર રજૂ કરવામાં આવ્યું છે, જે પ્રોટેક્શન-ડિ-પ્રોટેક્શન રસાયણશાસ્ત્ર દ્વારા મશીનિંગ દરમિયાન ઇલેક્ટ્રોડની ધ્રુવીયતાને બદલી શકે છે. આ બાઈન્ડરના ધ્રુવીય કાર્યાત્મક જૂથો બિન-ધ્રુવીય ટર્ટ-બ્યુટીલ કાર્યાત્મક જૂથો દ્વારા સુરક્ષિત છે, તે સુનિશ્ચિત કરે છે કે ઇલેક્ટ્રોડ પેસ્ટની તૈયારી દરમિયાન બાઈન્ડરને સલ્ફાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (આ કિસ્સામાં LPSCl) સાથે મેચ કરી શકાય છે. પછી હીટ ટ્રીટમેન્ટ દ્વારા, એટલે કે ઇલેક્ટ્રોડની સૂકવણી પ્રક્રિયા દ્વારા, પોલિમર બાઈન્ડરના ટર્ટ-બ્યુટીલ ફંક્શનલ ગ્રૂપને થર્મલ વિભાજિત કરી શકાય છે, જેથી રક્ષણનો હેતુ હાંસલ થાય અને અંતે ધ્રુવીય બાઈન્ડર મેળવી શકાય. આકૃતિ A જુઓ.

ચિત્ર

ઇલેક્ટ્રોડના યાંત્રિક અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ગુણધર્મોની તુલના કરીને સલ્ફાઇડ ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી માટે પોલિમર બાઈન્ડર તરીકે BR (બ્યુટાડીન રબર) પસંદ કરવામાં આવ્યું હતું. ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીના યાંત્રિક અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ગુણધર્મોને વધારવા ઉપરાંત, આ સંશોધન પોલિમર બાઈન્ડર ડિઝાઇન માટે એક નવો અભિગમ ખોલે છે, જે ઇલેક્ટ્રોડ્સને યોગ્ય અને ઇચ્છિત સ્થિતિમાં રાખવા માટે સંરક્ષણ-ડિ-પ્રોટેક્શન-રાસાયણિક અભિગમ છે. ઇલેક્ટ્રોડ ઉત્પાદનના વિવિધ તબક્કાઓ.

પછી, પોલિટેર્ટ-બ્યુટીલેક્રાયલેટ (ટીબીએ) અને તેના બ્લોક કોપોલિમર, પોલિટર્ટ-બ્યુટીલેક્રીલેટ – બી-પોલી 1, 4-બ્યુટાડીએન (ટીબીએ-બી-બીઆર), જેના કાર્બોક્સિલિક એસિડ કાર્યાત્મક જૂથો થર્મોલાઈઝ્ડ ટી-બ્યુટીલ જૂથ દ્વારા સુરક્ષિત છે, પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રયોગ વાસ્તવમાં, TBA એ PAA નો પુરોગામી છે, જેનો સામાન્ય રીતે વર્તમાન લિથિયમ આયન બેટરીમાં ઉપયોગ થાય છે, પરંતુ સલ્ફાઇડ આધારિત ઓલ-સોલિડ લિથિયમ બેટરીમાં તેની પોલેરિટી મિસમેચને કારણે તેનો ઉપયોગ કરી શકાતો નથી. PAA ની મજબૂત ધ્રુવીયતા સલ્ફાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથે હિંસક પ્રતિક્રિયા આપી શકે છે, પરંતુ T-butyl ના રક્ષણાત્મક કાર્બોક્સિલિક એસિડ કાર્યાત્મક જૂથ સાથે, PAA ની ધ્રુવીયતા ઘટાડી શકાય છે, જે તેને બિન-ધ્રુવીય અથવા નબળા ધ્રુવીય દ્રાવકોમાં ઓગળી શકે છે. હીટ ટ્રીટમેન્ટ પછી, ટી-બ્યુટીલ એસ્ટર જૂથ આઇસોબ્યુટીન છોડવા માટે વિઘટિત થાય છે, પરિણામે કાર્બોક્સિલિક એસિડની રચના થાય છે, જે આકૃતિ B માં બતાવ્યા પ્રમાણે છે. બે પોલિમર ડિપ્રોટેક્ટેડના ઉત્પાદનો (અપ્રોટેક્ટેડ) ટીબીએ અને (અપ્રોટેક્ટેડ) ટીબીએ- દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. બી-બીઆર.

ચિત્ર

છેલ્લે, paA જેવા બાઈન્ડર NCM સાથે સારી રીતે બંધાઈ શકે છે, જ્યારે આખી પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિમાં થાય છે. તે સમજી શકાય છે કે આ પ્રથમ વખત છે જ્યારે ઑલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ બેટરીમાં ઇન સિટુ પોલેરિટી કન્વર્ઝન સ્કીમનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.

હીટ ટ્રીટમેન્ટના તાપમાનની વાત કરીએ તો, 120 ℃ પર કોઈ સ્પષ્ટ સામૂહિક નુકશાન જોવા મળ્યું નથી, જ્યારે બ્યુટાલ જૂથનું અનુરૂપ માસ 15 કલાક પછી 160 ℃ પર નષ્ટ થયું હતું. આ સૂચવે છે કે એક ચોક્કસ તાપમાન છે કે જેના પર બ્યુટાલ દૂર કરી શકાય છે (વાસ્તવિક ઉત્પાદનમાં, આ તાપમાનનો સમય ઘણો લાંબો છે, ઉત્પાદન કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે વધુ યોગ્ય તાપમાન અથવા સ્થિતિ છે કે કેમ તે અંગે વધુ સંશોધન અને ચર્ચાની જરૂર છે). ડિપ્રોટેક્શન પહેલાં અને પછી સામગ્રીના Ft-ir પરિણામો એ પણ બતાવ્યું કે ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ડિપ્રોટેક્શન પ્રક્રિયામાં દખલ કરતું નથી. એડહેસિવ ફિલ્મ ડિપ્રોટેક્શન પહેલાં અને પછી એડહેસિવ સાથે બનાવવામાં આવી હતી, અને પરિણામ દર્શાવે છે કે ડિપ્રોટેક્શન પછીના એડહેસિવ પ્રવાહી કલેક્ટર સાથે મજબૂત સંલગ્નતા ધરાવે છે. ડિપ્રોટેક્શન પહેલાં અને પછી બાઈન્ડર અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટની સુસંગતતા ચકાસવા માટે, XRD અને રામન વિશ્લેષણ હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું, અને પરિણામો દર્શાવે છે કે LPSCl સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પરીક્ષણ કરેલ બાઈન્ડર સાથે સારી સુસંગતતા ધરાવે છે.

આગળ, ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી બનાવો અને જુઓ કે તે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે. NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ બાઈન્ડર 2% નો ઉપયોગ કરીને, પોલ શીટની સ્ટ્રિપિંગ સ્ટ્રેન્થ બતાવે છે કે જ્યારે બાઈન્ડર tBA-B-BR નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે ત્યારે સ્ટ્રિપિંગ સ્ટ્રેન્થ સૌથી મોટી હોય છે (આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે). દરમિયાન, સ્ટ્રીપિંગ સમયની પણ સ્ટ્રીપિંગ તાકાત પર અસર પડે છે. ડિપ્રોટેક્ટેડ TBA ઇલેક્ટ્રોડ શીટ બરડ અને ફ્રેક્ચર માટે સરળ છે, તેથી બેટરીની કામગીરીને ચકાસવા માટે સારી લવચીકતા અને ઉચ્ચ છાલની શક્તિ સાથે TBA-B-BRને મુખ્ય બાઈન્ડર તરીકે પસંદ કરવામાં આવે છે.

આકૃતિ 1. વિવિધ બાઈન્ડર સાથે છાલની મજબૂતાઈ

બાઈન્ડર પોતે આયનીય ઇન્સ્યુલેટીંગ છે. આયનીય વાહકતા પર બાઈન્ડરના ઉમેરાની અસરનો અભ્યાસ કરવા માટે, પ્રયોગોના બે જૂથો હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા, એક જૂથ જેમાં 97.5% ઈલેક્ટ્રોલાઈટ +2.5% બાઈન્ડર અને બીજો જૂથ જેમાં કોઈ બાઈન્ડર નથી. એવું જાણવા મળ્યું હતું કે બાઈન્ડર વિના આયનીય વાહકતા 4.8×10-3 SCM-1 હતી, અને બાઈન્ડર સાથેની વાહકતા પણ 10-3 ક્રમની તીવ્રતાની હતી. TBA-B-BR ની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્થિરતા CV પરીક્ષણ દ્વારા સાબિત થઈ હતી.

ત્રણ

અડધી બેટરી અને સંપૂર્ણ બેટરી કામગીરી

ઘણા તુલનાત્મક પરીક્ષણો દર્શાવે છે કે અસુરક્ષિત બાઈન્ડર વધુ સારી રીતે સંલગ્નતા ધરાવે છે અને લિથિયમ આયનોના સ્થળાંતર પર તેની કોઈ અસર થતી નથી. વિદ્યુતરાસાયણિક ગુણધર્મોને ચકાસવા માટે વિવિધ બાઈન્ડરથી બનેલા અડધા કોષનો ઉપયોગ કરીને, વિવિધ પ્રાયોગિક અર્ધ કોષ અનુક્રમે બાઈન્ડર ધ પોઝિટિવ સાથે મિશ્ર કરીને, ઘન ઈલેક્ટ્રોલાઈટનું કોઈ બાઈન્ડર નથી અને Li – સિંગલ ફેક્ટર પ્રયોગોના ઈલેક્ટ્રોડમાં, ઘન ઈલેક્ટ્રોલાઈટમાં બાઈન્ડર સાથે મિશ્રિત નથી, સાબિત કરવા માટે કે એનોડ બાઈન્ડર પર વિવિધ પ્રભાવ. તેના ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રદર્શન પરિણામો નીચેની આકૃતિમાં બતાવવામાં આવ્યા છે:

ચિત્ર

ઉપરની આકૃતિમાં: એ. જ્યારે સકારાત્મક સપાટીની ઘનતા 8mg/cm2 હોય ત્યારે વિવિધ બાઈન્ડરનું અર્ધ-સેલ ચક્ર પ્રદર્શન છે, અને B એ જ્યારે હકારાત્મક સપાટીની ઘનતા 16mg/cm2 હોય ત્યારે વિવિધ બાઈન્ડરનું અર્ધ-સેલ ચક્ર પ્રદર્શન છે. ઉપરોક્ત પરિણામો પરથી તે જોઈ શકાય છે કે (અપ્રોટેક્ટેડ) TBA-B-BR ની બેટરી સાયકલની કામગીરી અન્ય બાઈન્ડર કરતાં નોંધપાત્ર રીતે સારી છે અને સાઈકલ ડાયાગ્રામને પીલ સ્ટ્રેન્થ ડાયાગ્રામ સાથે સરખાવવામાં આવે છે, જે બતાવે છે કે ધ્રુવોના યાંત્રિક ગુણધર્મ ચક્ર કામગીરીના પ્રદર્શનમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા.

ચિત્ર

ડાબી આકૃતિ ચક્ર પહેલા NCM711/ Li-IN અડધા કોષનો EIS બતાવે છે, અને જમણી આકૃતિ 0.1 અઠવાડિયા માટે 50c ના ચક્ર વિના અડધા કોષનો EIS બતાવે છે. અનુક્રમે TBA-B-BR અને BR બાઈન્ડરનો ઉપયોગ કરીને અડધા કોષનો EIS (અપ્રોટેક્ટેડ) તે નીચે પ્રમાણે EIS રેખાકૃતિમાંથી નિષ્કર્ષ પર આવી શકે છે:

1. ગમે તેટલા ચક્રો હોય, દરેક બેટરીનું ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સ્તર RSE 10 ω cm2 ની આસપાસ હોય છે, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ LPSCl 2 ના આંતરિક વોલ્યુમ પ્રતિકારનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. ચક્ર દરમિયાન ચાર્જ ટ્રાન્સફર ઇમ્પિડન્સ (RCT) વધ્યો હતો, પરંતુ RCT નો વધારો BR બાઈન્ડર tBA-B-BR બાઈન્ડરનો ઉપયોગ કરતા કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે હતું. તે જોઈ શકાય છે કે BR બાઈન્ડરનો ઉપયોગ કરીને સક્રિય પદાર્થો વચ્ચેનું બંધન ખૂબ મજબૂત નહોતું, અને ચક્રમાં ઢીલું પડતું હતું.

ચિત્ર

SEM નો ઉપયોગ વિવિધ રાજ્યોમાં ધ્રુવના ટુકડાઓના ક્રોસ-સેક્શનને જોવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો, અને પરિણામો ઉપરની આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યા છે: a. પરિભ્રમણ પહેલાં Tba-b-br (ડિપ્રોટેક્શન); B. પરિભ્રમણ પહેલાં BR; C. TBA-B-BR 25 અઠવાડિયા પછી (પ્રોટેક્શન); D. 25 અઠવાડિયા પછી BR;

બધા ઇલેક્ટ્રોડ સક્રિય કણો વચ્ચે નજીકથી સંપર્ક જોવા મળે તે પહેલાં ચક્ર, ફક્ત નાના છિદ્રો જ જોઈ શકે છે, પરંતુ 25 અઠવાડિયાના ચક્ર પછી, સ્પષ્ટ ફેરફાર જોઈ શકે છે, જેનો ઉપયોગ c (ટેક ઓફ) એસોસિએટ્સ – b માં થાય છે – BR મોટાભાગના કણોની હકારાત્મક પ્રવૃત્તિ અથવા કોઈ તિરાડો નથી, અને BR બાઈન્ડર કણોની ઇલેક્ટ્રોડ પ્રવૃત્તિનો ઉપયોગ કરીને મધ્યમાં ઘણી બધી તિરાડો છે, D ના પીળા વિસ્તારમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, વધુમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને NCM કણો વધુ ગંભીર રીતે અલગ પડે છે, જે બેટરી માટે મહત્વપૂર્ણ કારણો છે. કાર્યક્ષમતા એટેન્યુએશન.

ચિત્ર

છેલ્લે, સમગ્ર બેટરીની કામગીરી ચકાસવામાં આવે છે. હકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ NCM711/ નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ ગ્રેફાઇટ પ્રથમ ચક્રમાં 153mAh/g સુધી પહોંચી શકે છે અને 85.5 ચક્ર પછી 45% જાળવી શકે છે.

ચાર

સંક્ષિપ્ત સારાંશ

નિષ્કર્ષમાં, ઓલ-સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ બેટરીમાં, ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ કામગીરી મેળવવા માટે સક્રિય પદાર્થો, ઉચ્ચ યાંત્રિક ગુણધર્મો અને ઇન્ટરફેસ સ્થિરતા વચ્ચેનો નક્કર સંપર્ક સૌથી મહત્વપૂર્ણ છે.