Baterai all-solid-state berbasis sulfur diharapkan dapat menggantikan baterai lithium-ion saat ini karena kinerja keamanannya yang unggul. Namun, dalam proses persiapan bubur baterai semua-padat, ada polaritas yang tidak kompatibel antara pelarut, pengikat dan elektrolit sulfida, sehingga tidak ada cara untuk mencapai produksi skala besar saat ini. Saat ini, penelitian tentang baterai solid-state terutama dilakukan pada skala laboratorium, dan volume baterai relatif kecil. Produksi skala besar baterai semua solid-state masih menuju proses produksi yang ada, yaitu zat aktif disiapkan menjadi bubur dan kemudian dilapisi dan dikeringkan, yang dapat memiliki biaya lebih rendah dan efisiensi lebih tinggi.

satu

Kesulitan yang dihadapi

Oleh karena itu, sulit untuk menemukan pengikat dan pelarut polimer yang cocok untuk mendukung larutan cair. Kebanyakan elektrolit padat berbasis sulfur dapat dilarutkan dalam pelarut polar, seperti NMP yang saat ini kita gunakan. Jadi pilihan pelarut hanya dapat dibiaskan ke non-polar atau polaritas pelarut yang relatif lemah, yang berarti bahwa pilihan pengikat juga sempit – sebagian besar gugus fungsi polar dari polimer tidak dapat digunakan!

Ini bukan masalah terburuk. Dalam hal polaritas, pengikat yang relatif kompatibel dengan pelarut dan elektrolit sulfida akan menyebabkan berkurangnya ikatan antara agregat dan zat aktif dan elektrolit, yang tidak diragukan lagi akan menyebabkan impedansi elektroda yang ekstrem dan peluruhan kapasitas yang cepat, yang sangat merugikan kinerja baterai.

Untuk memenuhi persyaratan di atas, tiga zat utama (pengikat, pelarut, elektrolit) dapat dipilih, hanya pelarut non-polar atau polar lemah, seperti para-(P) xylene, toluene, n-hexane, anisole, dll ., menggunakan pengikat polimer polar lemah, Seperti karet butadiena (BR), karet stirena butadiena (SBR), SEBS, polivinil klorida (PVC), karet nitril (NBR), karet silikon dan etil selulosa, untuk memenuhi kinerja yang diperlukan .

dua

Skema konversi polar-non-polar in situ

Dalam makalah ini, jenis pengikat baru diperkenalkan, yang dapat mengubah polaritas elektroda selama pemesinan melalui kimia proteksi-de-proteksi. Gugus fungsi polar dari pengikat ini dilindungi oleh gugus fungsional tert-butil non-polar, memastikan bahwa pengikat dapat dicocokkan dengan elektrolit sulfida (dalam hal ini LPSCl) selama persiapan pasta elektroda. Kemudian melalui perlakuan panas yaitu proses pengeringan elektroda, gugus fungsi tert-butil pengikat polimer dapat dipecah secara termal, untuk mencapai tujuan perlindungan, dan akhirnya mendapatkan pengikat polar. Lihat Gambar A.

Gambar

BR (karet butadiena) dipilih sebagai pengikat polimer untuk baterai solid-state sulfida dengan membandingkan sifat mekanik dan elektrokimia elektroda. Selain meningkatkan sifat mekanik dan elektrokimia baterai all-solid-state, penelitian ini membuka pendekatan baru untuk desain pengikat polimer, yang merupakan pendekatan proteksi-de-proteksi-kimia untuk menjaga elektroda dalam keadaan yang sesuai dan diinginkan di berbagai tahap pembuatan elektroda.

Kemudian, polytert-butylacrylate (TBA) dan kopolimer bloknya, polytert-butylacrylate – b-poly 1, 4-butadiene (TBA-B-BR), yang gugus fungsi asam karboksilatnya dilindungi oleh gugus T-butil termolisis, dipilih dalam percobaan. Faktanya, TBA adalah prekursor PAA, yang umumnya digunakan pada baterai lithium ion saat ini, tetapi tidak dapat digunakan pada baterai lithium padat berbasis sulfida karena ketidakcocokan polaritasnya. Polaritas kuat PAA dapat bereaksi hebat dengan elektrolit sulfida, tetapi dengan gugus fungsi asam karboksilat pelindung T-butil, polaritas PAA dapat dikurangi, memungkinkannya larut dalam pelarut non-polar atau polar lemah. Setelah perlakuan panas, gugus t-butil ester didekomposisi untuk melepaskan isobutena, menghasilkan pembentukan asam karboksilat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar B. Produk dari dua polimer yang dideproteksi diwakili oleh (dilindungi) TBA dan (dilindungi) TBA- B-BR.

Gambar

Akhirnya, pengikat seperti paA dapat berikatan dengan baik dengan NCM, sementara seluruh proses berlangsung di tempat. Dipahami bahwa ini adalah pertama kalinya skema konversi polaritas in situ telah digunakan dalam baterai lithium semua solid-state.

Adapun suhu perlakuan panas, tidak ada kehilangan massa yang jelas diamati pada 120℃, sedangkan massa yang sesuai dari kelompok butil hilang setelah 15 jam pada 160℃. Hal ini menunjukkan bahwa ada suhu tertentu di mana butil dapat dihilangkan (dalam produksi aktual, waktu suhu ini terlalu lama, apakah ada suhu atau kondisi yang lebih tepat untuk meningkatkan efisiensi produksi perlu penelitian dan diskusi lebih lanjut). Hasil FT-ir bahan sebelum dan sesudah deproteksi juga menunjukkan bahwa elektrolit padat tidak mengganggu proses deproteksi. Film perekat dibuat dengan perekat sebelum dan sesudah deproteksi, dan hasilnya menunjukkan bahwa perekat setelah deproteksi memiliki daya rekat yang lebih kuat dengan pengumpul fluida. Untuk menguji kompatibilitas pengikat dan elektrolit sebelum dan sesudah deproteksi, dilakukan analisis XRD dan Raman, dan hasilnya menunjukkan bahwa elektrolit padat LPSCl memiliki kompatibilitas yang baik dengan pengikat yang diuji.

Selanjutnya, buat baterai solid-state dan lihat kinerjanya. Dengan menggunakan NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ binder 2%, kekuatan stripping pole sheet menunjukkan kekuatan stripping yang paling besar saat menggunakan binder tBA-B-BR (seperti terlihat pada Gambar 1). Sementara itu, waktu pengupasan juga berpengaruh pada kekuatan pengupasan. Lembaran elektroda TBA yang dideproteksi rapuh dan mudah patah, sehingga TBA-B-BR dengan fleksibilitas yang baik dan kekuatan kulit yang tinggi dipilih sebagai pengikat utama untuk menguji kinerja baterai.

Gambar 1. Kekuatan kupas dengan pengikat yang berbeda

Pengikat itu sendiri adalah isolasi ionik. Untuk mempelajari pengaruh penambahan bahan pengikat terhadap konduktivitas ionik, dilakukan dua kelompok percobaan, satu kelompok mengandung 97.5% elektrolit + 2.5% pengikat dan kelompok lainnya tidak mengandung pengikat. Ditemukan bahwa konduktivitas ionik tanpa pengikat adalah 4.8 × 10-3 SCM-1, dan konduktivitas dengan pengikat juga 10-3 urutan besarnya. Stabilitas elektrokimia TBA-B-BR dibuktikan dengan uji CV.

tiga

Kinerja baterai setengah dan baterai penuh

Banyak tes perbandingan menunjukkan bahwa pengikat yang tidak dilindungi memiliki daya rekat yang lebih baik dan tidak berpengaruh pada migrasi ion litium. Menggunakan pengikat yang berbeda dibuat setengah sel untuk menguji sifat elektrokimia, berbagai percobaan setengah sel masing-masing dengan dicampur dengan pengikat positif, tidak ada pengikat elektrolit padat dan Li – Dalam elektroda percobaan faktor tunggal, tidak dicampur dengan pengikat Dalam elektrolit padat, untuk membuktikan bahwa pengaruh yang berbeda pada pengikat anoda. Hasil kinerja elektrokimia ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Gambar

Pada gambar di atas: a. adalah kinerja siklus setengah sel dari pengikat yang berbeda ketika kepadatan permukaan positif adalah 8mg/cm2, dan B adalah kinerja siklus setengah sel dari pengikat yang berbeda ketika kepadatan permukaan positif adalah 16mg/cm2. Dapat dilihat dari hasil di atas bahwa (deprotected) TBA-B-BR memiliki kinerja siklus baterai yang jauh lebih baik daripada pengikat lainnya, dan diagram siklus dibandingkan dengan diagram kekuatan kupas, yang menunjukkan bahwa sifat mekanik kutub memainkan peran penting. peran penting dalam kinerja kinerja siklus.

Gambar

Gambar kiri menunjukkan EIS setengah sel NCM711/ Li-IN sebelum siklus, dan gambar kanan menunjukkan EIS setengah sel tanpa siklus 0.1c selama 50 minggu. EIS setengah sel masing-masing menggunakan pengikat TBA-B-BR dan BR (dilindungi). Dapat disimpulkan dari diagram EIS sebagai berikut:

1. Tidak peduli berapa banyak siklus, RSE lapisan elektrolit setiap baterai sekitar 10 cm2, yang mewakili resistansi volume yang melekat pada elektrolit LPSCl 2. Impedansi transfer muatan (RCT) meningkat selama siklus, tetapi PENINGKATAN RCT menggunakan Pengikat BR secara signifikan lebih tinggi daripada yang menggunakan pengikat tBA-B-BR. Terlihat bahwa ikatan antar zat aktif menggunakan pengikat BR tidak terlalu kuat, dan terjadi kelonggaran pada siklus.

Gambar

SEM digunakan untuk mengamati penampang irisan kutub di berbagai keadaan, dan hasilnya ditunjukkan pada gambar di atas: a. Tba-b-br sebelum diedarkan (deprotection); B. sebelum diedarkan BR; C. TBA-B-BR setelah 25 minggu (deproteksi); D. setelah 25 minggu BR;

Siklus sebelum semua elektroda dapat diamati kontak erat antara partikel aktif, hanya dapat melihat lubang kecil, tetapi setelah siklus 25 minggu, dapat melihat perubahan yang jelas, digunakan dalam c (lepas landas) rekan – b – aktivitas positif BR sebagian besar partikel atau tidak ada retakan, dan menggunakan aktivitas elektroda partikel pengikat BR ada banyak retakan di tengah, Seperti yang ditunjukkan pada area kuning D, selain itu, partikel elektrolit dan NCM terpisah lebih serius, yang merupakan alasan penting untuk baterai pelemahan kinerja.

Gambar

Akhirnya, kinerja seluruh baterai diverifikasi. Elektroda positif NCM711/elektroda negatif grafit dapat mencapai 153mAh/g pada siklus pertama dan mempertahankan 85.5% setelah 45 siklus.

empat

Ringkasan singkat

Kesimpulannya, dalam semua baterai lithium solid-state, kontak padat antara zat aktif, sifat mekanik yang tinggi, dan stabilitas antarmuka adalah yang paling penting untuk mendapatkan kinerja elektrokimia yang tinggi.