सल्फर-आधारित ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों से उनके बेहतर सुरक्षा प्रदर्शन के कारण वर्तमान लिथियम-आयन बैटरी को बदलने की उम्मीद है। हालांकि, ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी स्लरी की तैयारी प्रक्रिया में, सॉल्वेंट, बाइंडर और सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट के बीच असंगत ध्रुवताएं हैं, इसलिए वर्तमान में बड़े पैमाने पर उत्पादन प्राप्त करने का कोई तरीका नहीं है। वर्तमान में, ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी पर शोध मुख्य रूप से प्रयोगशाला पैमाने पर किया जाता है, और बैटरी की मात्रा अपेक्षाकृत कम होती है। ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी का बड़े पैमाने पर उत्पादन अभी भी मौजूदा उत्पादन प्रक्रिया की ओर है, यानी सक्रिय पदार्थ को घोल में तैयार किया जाता है और फिर लेपित और सुखाया जाता है, जिसकी लागत कम और उच्च दक्षता हो सकती है।

एक

कठिनाइयों का सामना करना पड़ा

इसलिए, तरल समाधान का समर्थन करने के लिए उपयुक्त बहुलक बांधने की मशीन और विलायक खोजना मुश्किल है। अधिकांश सल्फर-आधारित ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स को ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में भंग किया जा सकता है, जैसे कि एनएमपी जो हम वर्तमान में उपयोग करते हैं। तो विलायक की पसंद केवल गैर-ध्रुवीय या विलायक की अपेक्षाकृत कमजोर ध्रुवीयता के पक्षपाती हो सकती है, जिसका अर्थ है कि बाइंडर की पसंद भी संगत रूप से संकीर्ण है – बहुलक के अधिकांश ध्रुवीय कार्यात्मक समूहों का उपयोग नहीं किया जा सकता है!

यह सबसे खराब समस्या नहीं है। ध्रुवीयता के संदर्भ में, बाइंडर्स जो सॉल्वैंट्स और सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ अपेक्षाकृत संगत हैं, समुच्चय और सक्रिय पदार्थों और इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच बंधन को कम कर देंगे, जो निस्संदेह अत्यधिक इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा और तेज क्षमता क्षय को जन्म देगा, जो बैटरी प्रदर्शन के लिए बेहद हानिकारक है।

उपरोक्त आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, तीन मुख्य पदार्थों (बाइंडर, सॉल्वेंट, इलेक्ट्रोलाइट) का चयन किया जा सकता है, केवल गैर-ध्रुवीय या कमजोर ध्रुवीय सॉल्वैंट्स, जैसे कि पैरा- (पी) जाइलीन, टोल्यूनि, एन-हेक्सेन, एनीसोल, आदि। आवश्यक प्रदर्शन को पूरा करने के लिए कमजोर ध्रुवीय बहुलक बाइंडर, जैसे ब्यूटाडियन रबड़ (बीआर), स्टाइरीन ब्यूटाडियन रबड़ (एसबीआर), एसईबीएस, पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी), नाइट्राइल रबड़ (एनबीआर), सिलिकॉन रबड़ और एथिल सेलूलोज़ का उपयोग करना .

दो

स्वस्थानी ध्रुवीय – गैर-ध्रुवीय रूपांतरण योजना

इस पेपर में एक नए प्रकार का बाइंडर पेश किया गया है, जो प्रोटेक्शन-डे-प्रोटेक्शन केमिस्ट्री के जरिए मशीनिंग के दौरान इलेक्ट्रोड की पोलरिटी को बदल सकता है। इस बाइंडर के ध्रुवीय कार्यात्मक समूहों को गैर-ध्रुवीय टर्ट-ब्यूटाइल कार्यात्मक समूहों द्वारा संरक्षित किया जाता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि इलेक्ट्रोड पेस्ट की तैयारी के दौरान बाइंडर को सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट (इस मामले में एलपीएससीएल) के साथ मिलान किया जा सकता है। फिर गर्मी उपचार के माध्यम से, अर्थात् इलेक्ट्रोड की सुखाने की प्रक्रिया, बहुलक बांधने की मशीन के टर्ट-ब्यूटाइल कार्यात्मक समूह को थर्मल विभाजन किया जा सकता है, सुरक्षा के उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए, और अंत में ध्रुवीय बांधने की मशीन प्राप्त करें। चित्र ए देखें।

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इलेक्ट्रोड के यांत्रिक और विद्युत रासायनिक गुणों की तुलना करके सल्फाइड ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी के लिए बीआर (ब्यूटाडीन रबर) को पॉलिमर बाइंडर के रूप में चुना गया था। ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरियों के यांत्रिक और विद्युत रासायनिक गुणों को बढ़ाने के अलावा, यह शोध पॉलिमर बाइंडर डिज़ाइन के लिए एक नया दृष्टिकोण खोलता है, जो इलेक्ट्रोड को उपयुक्त और वांछित स्थिति में रखने के लिए एक सुरक्षा-डी-संरक्षण-रासायनिक दृष्टिकोण है। इलेक्ट्रोड निर्माण के विभिन्न चरण।

फिर, पॉलीटर्ट-ब्यूटाइलक्रिलेट (टीबीए) और इसके ब्लॉक कोपोलिमर, पॉलीटर्ट-ब्यूटाइलक्रिलेट – बी-पॉली 1, 4-ब्यूटाडीन (टीबीए-बी-बीआर), जिनके कार्बोक्जिलिक एसिड कार्यात्मक समूह थर्मोलाइज्ड टी-ब्यूटाइल समूह द्वारा संरक्षित हैं, में चुने गए थे। प्रयोग। वास्तव में, टीबीए पीएए का अग्रदूत है, जो आमतौर पर वर्तमान लिथियम आयन बैटरी में उपयोग किया जाता है, लेकिन इसका ध्रुवीयता बेमेल होने के कारण सल्फाइड-आधारित सभी ठोस लिथियम बैटरी में उपयोग नहीं किया जा सकता है। पीएए की मजबूत ध्रुवीयता सल्फाइड इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ हिंसक प्रतिक्रिया कर सकती है, लेकिन टी-ब्यूटाइल के सुरक्षात्मक कार्बोक्जिलिक एसिड कार्यात्मक समूह के साथ, पीएए की ध्रुवीयता को कम किया जा सकता है, जिससे यह गैर-ध्रुवीय या कमजोर ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में भंग हो सकता है। गर्मी उपचार के बाद, टी-ब्यूटाइल एस्टर समूह को आइसोब्यूटीन छोड़ने के लिए विघटित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप कार्बोक्जिलिक एसिड का निर्माण होता है, जैसा कि चित्र बी में दिखाया गया है। दो बहुलक असंरक्षित उत्पादों को (असुरक्षित) टीबीए और (असुरक्षित) टीबीए द्वारा दर्शाया जाता है- बी-बीआर।

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अंत में, पीएए जैसा बाइंडर एनसीएम के साथ अच्छी तरह से बंध सकता है, जबकि पूरी प्रक्रिया सीटू में होती है। यह समझा जाता है कि यह पहली बार है जब एक ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी में सीटू पोलरिटी कन्वर्जन स्कीम का इस्तेमाल किया गया है।

गर्मी उपचार के तापमान के लिए, 120 ℃ पर कोई स्पष्ट द्रव्यमान हानि नहीं देखी गई, जबकि ब्यूटाइल समूह का संबंधित द्रव्यमान 15 घंटे के बाद 160 ℃ पर खो गया। यह इंगित करता है कि एक निश्चित तापमान है जिस पर ब्यूटाइल को हटाया जा सकता है (वास्तविक उत्पादन में, यह तापमान समय बहुत लंबा है, चाहे उत्पादन क्षमता में सुधार के लिए अधिक उपयुक्त तापमान या स्थिति हो, आगे के शोध और चर्चा की आवश्यकता है)। डीप्रोटेक्शन से पहले और बाद में सामग्री के एफटी-आईआर परिणामों ने यह भी दिखाया कि ठोस इलेक्ट्रोलाइट ने डिप्रोटेक्शन प्रक्रिया में हस्तक्षेप नहीं किया। चिपकने वाली फिल्म को डिप्रोटेक्शन से पहले और बाद में चिपकने के साथ बनाया गया था, और परिणाम से पता चला कि डिप्रोटेक्शन के बाद चिपकने वाला द्रव कलेक्टर के साथ मजबूत आसंजन था। डिप्रोटेक्शन से पहले और बाद में बाइंडर और इलेक्ट्रोलाइट की अनुकूलता का परीक्षण करने के लिए, एक्सआरडी और रमन विश्लेषण किया गया, और परिणामों से पता चला कि एलपीएससीएल सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट की टेस्टेड बाइंडर के साथ अच्छी संगतता थी।

इसके बाद, एक ऑल-सॉलिड-स्टेट बैटरी बनाएं और देखें कि यह कैसा प्रदर्शन करती है। NCM711 74.5%/LPSCL21.5%/SP2%/ बाइंडर 2% का उपयोग करते हुए, पोल शीट की स्ट्रिपिंग ताकत से पता चलता है कि बाइंडर tBA-B-BR का उपयोग करने पर स्ट्रिपिंग ताकत सबसे बड़ी होती है (जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है)। इस बीच, स्ट्रिपिंग समय का भी स्ट्रिपिंग स्ट्रेंथ पर प्रभाव पड़ता है। संरक्षित टीबीए इलेक्ट्रोड शीट भंगुर और फ्रैक्चर के लिए आसान है, इसलिए टीबीए-बी-बीआर अच्छे लचीलेपन और उच्च छील ताकत के साथ बैटरी प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए मुख्य बाइंडर के रूप में चुना जाता है।

चित्रा 1. विभिन्न बाइंडरों के साथ छील ताकत

बाइंडर ही आयनिक इंसुलेटिंग है। आयनिक चालकता पर बाइंडर को जोड़ने के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, प्रयोगों के दो समूह आयोजित किए गए, एक समूह जिसमें 97.5% इलेक्ट्रोलाइट + 2.5% बाइंडर था और दूसरा समूह जिसमें कोई बाइंडर नहीं था। यह पाया गया कि बाइंडर के बिना आयनिक चालकता 4.8×10-3 SCM-1 थी, और बाइंडर के साथ चालकता भी परिमाण का 10-3 क्रम था। टीबीए-बी-बीआर की विद्युत रासायनिक स्थिरता सीवी परीक्षण द्वारा सिद्ध की गई थी।

तीन

आधी बैटरी और पूरी बैटरी का प्रदर्शन

कई तुलनात्मक परीक्षणों से पता चलता है कि संरक्षित बाइंडर में बेहतर आसंजन होता है और लिथियम आयनों के प्रवास पर इसका कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का परीक्षण करने के लिए अलग-अलग बाइंडर से बने हाफ सेल का उपयोग करके, विभिन्न प्रायोगिक हाफ सेल को क्रमशः बाइंडर पॉजिटिव, नो बाइंडर ऑफ सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट और ली – सिंगल फैक्टर प्रयोगों के इलेक्ट्रोड में, बाइंडर के साथ मिश्रित नहीं किया जाता है। यह साबित करने के लिए कि एनोड बाइंडर पर अलग-अलग प्रभाव पड़ता है। इसके विद्युत रासायनिक प्रदर्शन परिणाम नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए हैं:

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ऊपर की आकृति में: ए। जब सकारात्मक सतह का घनत्व 8mg/cm2 होता है, तो विभिन्न बाइंडरों का अर्ध-सेल चक्र प्रदर्शन होता है, और जब सकारात्मक सतह का घनत्व 16mg/cm2 होता है, तो B विभिन्न बाइंडरों का अर्ध-सेल चक्र प्रदर्शन होता है। उपरोक्त परिणामों से यह देखा जा सकता है कि (असुरक्षित) टीबीए-बी-बीआर में अन्य बाइंडरों की तुलना में काफी बेहतर बैटरी चक्र प्रदर्शन है, और चक्र आरेख की तुलना छील शक्ति आरेख के साथ की जाती है, जो दर्शाता है कि ध्रुवों के यांत्रिक गुण एक खेलते हैं चक्र प्रदर्शन के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण भूमिका।

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बायां आंकड़ा चक्र से पहले एनसीएम711/ली-इन आधा सेल का ईआईएस दिखाता है, और दायां आंकड़ा 0.1 सप्ताह के लिए 50 सी के चक्र के बिना आधा सेल का ईआईएस दिखाता है। आधा सेल का ईआईएस क्रमशः (असुरक्षित) टीबीए-बी-बीआर और बीआर बाइंडर का उपयोग कर रहा है। इसे ईआईएस आरेख से निम्नानुसार निष्कर्ष निकाला जा सकता है:

1. कोई फर्क नहीं पड़ता कि कितने चक्र, प्रत्येक बैटरी की इलेक्ट्रोलाइट परत आरएसई लगभग 10 सेमी 2 है, जो इलेक्ट्रोलाइट एलपीएससी 2 के अंतर्निहित वॉल्यूम प्रतिरोध का प्रतिनिधित्व करती है। चक्र के दौरान चार्ज ट्रांसफर प्रतिबाधा (आरसीटी) में वृद्धि हुई है, लेकिन आरसीटी का उपयोग करके आरसीटी की वृद्धि BR बाइंडर tBA-B-BR बाइंडर का उपयोग करने वाले की तुलना में काफी अधिक था। यह देखा जा सकता है कि बीआर बाइंडर का उपयोग करने वाले सक्रिय पदार्थों के बीच संबंध बहुत मजबूत नहीं था, और चक्र में ढीलापन आ रहा था।

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SEM का उपयोग विभिन्न राज्यों में पोल ​​स्लाइस के क्रॉस-सेक्शन का निरीक्षण करने के लिए किया गया था, और परिणाम ऊपर दिए गए चित्र में दिखाए गए हैं: a. परिसंचरण से पहले टीबीए-बी-बीआर (डिप्रोटेक्शन); बी परिसंचरण से पहले बीआर; सी. टीबीए-बी-बीआर 25 सप्ताह के बाद (डिप्रोटेक्शन); डी. 25 सप्ताह के बाद बीआर;

सभी इलेक्ट्रोड से पहले चक्र को सक्रिय कणों के बीच निकट संपर्क में देखा जा सकता है, केवल छोटे छेद देख सकते हैं, लेकिन 25 सप्ताह के चक्र के बाद, स्पष्ट परिवर्तन देख सकते हैं, सी (टेक ऑफ) सहयोगियों में उपयोग किया जाता है – बी – बीआर अधिकांश कणों की सकारात्मक गतिविधि या कोई दरार नहीं है, और बीआर बाइंडर कणों की इलेक्ट्रोड गतिविधि का उपयोग करके बीच में बहुत सारी दरारें हैं, जैसा कि डी के पीले क्षेत्र में दिखाया गया है, इसके अलावा, इलेक्ट्रोलाइट और एनसीएम कण अधिक गंभीरता से अलग होते हैं, जो बैटरी के महत्वपूर्ण कारण हैं प्रदर्शन क्षीणन।

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अंत में, पूरी बैटरी का प्रदर्शन सत्यापित किया जाता है। सकारात्मक इलेक्ट्रोड NCM711/नकारात्मक इलेक्ट्रोड ग्रेफाइट पहले चक्र में 153mAh/g तक पहुंच सकता है और 85.5 चक्रों के बाद 45% बनाए रख सकता है।

चार

एक संक्षिप्त सारांश

अंत में, सभी ठोस-राज्य लिथियम बैटरी में, सक्रिय पदार्थों के बीच ठोस संपर्क, उच्च यांत्रिक गुण और इंटरफ़ेस स्थिरता उच्च विद्युत रासायनिक प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण हैं।