Baterei kabeh-padat basis sulfur samesthine kanggo ngganti baterei lithium-ion saiki amarga kinerja safety unggul. Nanging, ing proses nyiapake slurry baterei kabeh-solid-state, ana polaritas sing ora kompatibel ing antarane pelarut, binder lan elektrolit sulfida, saengga ora ana cara kanggo entuk produksi skala gedhe saiki. Saiki, riset babagan baterei kabeh-padat utamane ditindakake ing skala laboratorium, lan volume baterei relatif cilik. Produksi skala gedhe saka baterei kabeh-padat isih nyedhaki proses produksi sing ana, yaiku, zat aktif disiapake dadi slurry lan banjur dilapisi lan dikeringake, sing bisa duwe biaya sing luwih murah lan efisiensi sing luwih dhuwur.

siji

Kesulitan sing diadhepi

Mulane, angel golek pengikat polimer lan pelarut sing cocog kanggo ndhukung solusi cair. Umume elektrolit padhet sing adhedhasar belerang bisa larut ing pelarut polar, kayata NMP sing saiki digunakake. Dadi pilihan saka solvent mung bisa bias kanggo non-polar utawa relatif kuwat polaritas saka solvent, kang tegese pilihan saka Binder uga Sairing panah – paling saka gugus fungsi polar saka polimer ora bisa digunakake!

Iki ora masalah paling awon. Ing babagan polaritas, pengikat sing relatif kompatibel karo pelarut lan elektrolit sulfida bakal nyebabake ikatan sing suda ing antarane agregat lan zat aktif lan elektrolit, sing mesthi bakal nyebabake impedansi elektroda sing ekstrem lan bosok kapasitas cepet, sing mbebayani banget kanggo kinerja baterei.

Kanggo nyukupi syarat ing ndhuwur, telung bahan utama (pengikat, pelarut, elektrolit) bisa dipilih, mung pelarut polar non-polar utawa lemah, kayata para-(P) xylene, toluene, n-hexane, anisole, lsp. ., nggunakake binder polimer polar banget, Kayata karet butadiene (BR), karet styrene butadiene (SBR), SEBS, polivinil klorida (PVC), karet nitril (NBR), karet silikon lan selulosa etil, supaya bisa nyukupi kinerja sing dibutuhake .

loro

Skema konversi in situ polar-non-polar

Ing makalah iki, jinis binder anyar dikenalake, sing bisa ngganti polaritas elektroda sajrone mesin kanthi cara kimia proteksi-de-proteksi. Gugus fungsi polar saka binder iki dilindhungi dening gugus fungsi tert-butil non-polar, mesthekake yen binder bisa dicocogake karo elektrolit sulfida (ing kasus iki LPSCl) sajrone nyiapake tempel elektroda. Banjur liwat perawatan panas, yaiku proses pangatusan elektroda, gugus fungsi tert-butil binder polimer bisa pamisah termal, kanggo entuk tujuan perlindungan, lan pungkasane entuk binder polar. Waca Gambar A.

Gambar kasebut

BR (karet butadiene) dipilih minangka pengikat polimer kanggo baterei sulfida kabeh-padat kanthi mbandhingake sifat mekanik lan elektrokimia elektroda. Saliyane nambah sifat mekanik lan elektrokimia saka baterei kabeh-padat, riset iki mbukak pendekatan anyar kanggo desain binder polimer, yaiku pendekatan proteksi-de-proteksi-kimia kanggo njaga elektroda ing kahanan sing cocog lan dikarepake ing tataran beda saka manufaktur elektroda.

Banjur, polytert-butylacrylate (TBA) lan kopolimer bloke, polytert-butylacrylate – b-poly 1, 4-butadiene (TBA-B-BR), sing gugus fungsi asam karboksilat dilindhungi dening gugus T-butil termolisis, dipilih ing eksperimen. Nyatane, TBA minangka prekursor PAA, sing umum digunakake ing baterei lithium ion saiki, nanging ora bisa digunakake ing baterei lithium kabeh-padat adhedhasar sulfida amarga ora cocog polaritas. Polaritas kuat PAA bisa bereaksi keras karo elektrolit sulfida, nanging kanthi gugus fungsi asam karboksilat protèktif T-butil, polaritas PAA bisa dikurangi, saéngga bisa larut ing pelarut non-polar utawa polar sing lemah. Sawise perawatan panas, gugus ester t-butil didekomposisi kanggo ngeculake isobutene, sing nyebabake pembentukan asam karboksilat, kaya sing ditampilake ing Gambar B. Produk saka rong polimer sing diproteksi diwakili dening (deprotected) TBA lan (deprotected) TBA- B-BR.

Gambar kasebut

Akhire, binder paA-kaya bisa ikatan apik karo NCM, nalika kabèh proses njupuk Panggonan ing situ. Dimangerteni manawa iki minangka pisanan skema konversi polaritas in situ digunakake ing baterei lithium kabeh-padat.

Kanggo suhu perawatan panas, ora ana mundhut massa sing jelas ing 120 ℃, nalika massa gugus butil sing cocog ilang sawise 15h ing 160 ℃. Iki nuduhake yen ana suhu tartamtu ing ngendi butil bisa dibusak (ing produksi nyata, wektu suhu iki dawa banget, apa ana suhu utawa kondisi sing luwih cocok kanggo nambah efisiensi produksi mbutuhake riset lan diskusi luwih lanjut). Asil Ft-ir saka bahan sadurunge lan sawise deproteksi uga nuduhake yen elektrolit padhet ora ngganggu proses deproteksi. Film adesif digawe kanthi adesif sadurunge lan sawise deproteksi, lan asil kasebut nuduhake yen adesif sawise deproteksi nduweni adhesi sing luwih kuat karo kolektor cairan. Kanggo nguji kompatibilitas binder lan elektrolit sadurunge lan sawise deproteksi, analisis XRD lan Raman ditindakake, lan asil kasebut nuduhake yen elektrolit padat LPSCl nduweni kompatibilitas sing apik karo binder sing diuji.

Sabanjure, gawe baterei kabeh-solid-state lan ndeleng carane performs. Nggunakake NCM711 74.5% / LPSCL21.5% / SP2% / binder 2%, kekuatan stripping sheet kutub nuduhake yen kekuatan stripping paling gedhe nalika binder tBA-B-BR digunakake (minangka ditampilake ing Figure 1). Kangge, wektu stripping uga duwe impact ing kekuatan stripping. Lembaran elektroda TBA sing ora dilindhungi iku rapuh lan gampang pecah, mula TBA-B-BR kanthi keluwesan sing apik lan kekuatan kulit sing dhuwur dipilih minangka pengikat utama kanggo nguji kinerja baterei.

Figure 1. kekuatan Peel karo binders beda

Binder kasebut dhewe minangka insulasi ion. Kanggo nyinaoni pengaruh penambahan binder marang konduktivitas ionik, rong klompok eksperimen ditindakake, siji klompok ngemot 97.5% elektrolit + 2.5% binder lan klompok liyane ora ngemot bahan pengikat. Ditemokake yen konduktivitas ion tanpa pengikat yaiku 4.8 × 10-3 SCM-1, lan konduktivitas karo pengikat uga 10-3 urutan gedhene. Stabilitas elektrokimia TBA-B-BR dibuktekake kanthi tes CV.

telung

Half battery and full battery performance

Akeh tes komparatif nuduhake yen binder sing ora dilindhungi nduweni adhesi sing luwih apik lan ora duwe pengaruh marang migrasi ion litium. Nggunakake binder beda digawe setengah sel kanggo nguji sifat elektrokimia, macem-macem eksperimen setengah sel mungguh dening pipis karo binder positif, ora binder saka elektrolit ngalangi lan Li – Ing elektroda saka eksperimen faktor siji, ora pipis karo binder Ing elektrolit ngalangi, kanggo mbuktekaken sing pengaruh beda ing Binder anode. Asil kinerja elektrokimia ditampilake ing gambar ing ngisor iki:

Gambar kasebut

Ing gambar ndhuwur: a. iku kinerja siklus setengah sel saka binders beda nalika Kapadhetan saka lumahing positif punika 8mg/cm2, lan B punika kinerja siklus setengah sel binders beda nalika Kapadhetan saka lumahing positif 16mg/cm2. Bisa dideleng saka asil ing ndhuwur sing (deprotected) TBA-B-BR wis kinerja siklus baterei Ngartekno luwih saka binders liyane, lan diagram siklus dibandhingake karo diagram kekuatan pil, kang nuduhake yen sifat mechanical saka kutub muter peran penting ing kinerja kinerja siklus.

Gambar kasebut

Tokoh kiwa nuduhake EIS saka NCM711 / Li-IN setengah sel sadurunge siklus, lan tokoh tengen nuduhake EIS setengah sel tanpa siklus saka 0.1c kanggo 50 minggu. EIS saka setengah sel nggunakake (deprotected) TBA-B-BR lan BR binder mungguh. Bisa disimpulake saka diagram EIS kaya ing ngisor iki:

1. Ora ketompo carane akeh siklus, lapisan elektrolit RSE saben baterei watara 10 ω cm2, kang nggantosi resistance volume gawan saka elektrolit LPSCl 2. Ing impedansi transfer muatan (RCT) tambah sak siklus, nanging Tambah saka RCT nggunakake Pengikat BR luwih dhuwur tinimbang sing nggunakake binder tBA-B-BR. Bisa dideleng manawa ikatan antarane bahan aktif nggunakake pengikat BR ora kuwat banget, lan ana loosening ing siklus kasebut.

Gambar kasebut

SEM digunakake kanggo mirsani cross-section saka irisan pole ing negara beda, lan asil ditampilake ing gambar ndhuwur: a. Tba-b-br sadurunge sirkulasi (deproteksi); B. sadurunge sirkulasi BR; C. TBA-B-BR sawise 25 minggu (deprotection); D. sawise 25 minggu BR;

Siklus sadurunge kabeh elektroda bisa diamati rapet kontak antarane partikel aktif, mung bisa ndeleng bolongan cilik, nanging sawise 25 minggu siklus, bisa ndeleng owah-owahan ketok, digunakake ing c (take off) associates – b – kegiatan positif saka BR paling partikel. utawa ora retak, lan nggunakake aktivitas elektroda saka partikel pengikat BR ana akeh retakan ing tengah, Minangka ditampilake ing wilayah kuning D, Kajaba iku, elektrolit lan partikel NCM luwih kapisah, kang alasan penting kanggo baterei. atenuasi kinerja.

Gambar kasebut

Pungkasan, kinerja kabeh baterei wis diverifikasi. Elektroda positif NCM711 / grafit elektroda negatif bisa tekan 153mAh / g ing siklus pisanan lan njaga 85.5% sawise 45 siklus.

papat

Ringkesan ringkes

Kesimpulane, ing kabeh baterei lithium solid-state, kontak padhet antarane zat aktif, sifat mekanik sing dhuwur lan stabilitas antarmuka sing paling penting kanggo entuk kinerja elektrokimia sing dhuwur.