Schwiewel-baséiert All-Solidstate Batterien ginn erwaart déi aktuell Lithium-Ion Batterien ze ersetzen wéinst hirer superieure Sécherheetsleistung. Wéi och ëmmer, am Virbereedungsprozess vun der All-Solidstate Batterieslurry, ginn et inkompatibel Polaritéiten tëscht Léisungsmëttel, Bindemëttel a Sulfidelektrolyt, sou datt et kee Wee ass fir grouss Produktioun am Moment z’erreechen. Am Moment ass d’Fuerschung iwwer all-Solidstate Batterie haaptsächlech op der Labo Skala duerchgefouert, an de Volume vun der Batterie ass relativ kleng. D’grouss-Skala Produktioun vun all-Solidstat Batterie ass nach op der bestehend Produktioun Prozess, dat ass, der aktiv Substanz ass an slurry virbereet an dann Beschichtete an gedréchent, déi méi niddreg Käschten a méi Effizienz hunn kann.

eng

Schwieregkeeten konfrontéiert

Dofir ass et schwéier gëeegent Polymerbinder a Léisungsmëttel ze fannen fir d’flësseg Léisung z’ënnerstëtzen. Déi meescht Schwiefelbaséiert zolidd Elektrolyte kënnen a polare Léisungsmëttel opgeléist ginn, sou wéi den NMP deen mir am Moment benotzen. Also d’Wiel vum Léisungsmëttel kann nëmmen op net-polare oder relativ schwaach Polaritéit vum Léisungsmëttel biaséiert ginn, dat heescht datt d’Wiel vum Bindemëttel och entspriechend schmuel ass – déi meescht vun de polare funktionnelle Gruppen vum Polymer kënnen net benotzt ginn!

Dëst ass net de schlëmmste Problem. Wat d’Polaritéit ugeet, Binder, déi relativ kompatibel mat Léisungsmëttelen a Sulfidelektrolyte sinn, féieren zu enger reduzéierter Verbindung tëscht Aggregaten an aktive Substanzen an Elektrolyte, wat ouni Zweifel zu extremer Elektrodenimpedanz a séier Kapazitéitverfall féiert, wat extrem schiedlech ass fir d’Batterieleistung.

Fir déi uewe genannten Ufuerderungen z’erhalen, kënnen déi dräi Haaptstoffer (Bindstoff, Léisungsmëttel, Elektrolyt) ausgewielt ginn, nëmmen net-polare oder schwaach polare Léisungsmëttel, wéi Para-(P) Xylen, Toluen, N-Hexan, Anisol, etc. ., mat schwaache polare Polymer Bindemëttel, Wéi Butadien Gummi (BR), Styren Butadien Gummi (SBR), SEBS, Polyvinylchlorid (PVC), Nitril Gummi (NBR), Silikon Gummi an Ethylcellulose, fir déi erfuerderlech Leeschtung z’erreechen .

zwee

In situ polare – net-polare Konversiounsschema

An dësem Pabeier gëtt eng nei Zort Bindemittel agefouert, déi d’Polaritéit vun der Elektrode während der Veraarbechtung duerch Schutz-de-Schutz-Chemie änneren kann. Déi polare funktionell Gruppe vun dësem Bindemittel ginn duerch net-polare Tert-Butyl funktionell Gruppen geschützt, fir datt de Bindemittel mat der Sulfidelektrolyt (an dësem Fall LPSCl) bei der Virbereedung vun der Elektrodepaste passt. Dann duerch d’Hëtztbehandlung, nämlech den Trocknungsprozess vun der Elektrode, kann d’Tert-Butyl-funktionell Grupp vum Polymerbinder thermesch gespléckt ginn, fir den Zweck vum Schutz z’erreechen, a schliisslech de polare Binder ze kréien. Kuckt d’Bild A.

D’Bild

BR (Butadien Gummistécker) gouf als Polymer Bindemittel fir Sulfid-All-Staat-Batterie ausgewielt andeems d’mechanesch an elektrochemesch Eegeschafte vun der Elektrode vergläicht. Zousätzlech fir d’mechanesch an elektrochemesch Eegeschafte vun all-Solidstat-Batterien ze verbesseren, mécht dës Fuerschung eng nei Approche zum Polymerbinderdesign op, wat e Schutz-de-Schutz-chemesch Approche ass fir d’Elektroden an de passenden a gewënschten Zoustand ze halen. verschidden Etappe vun Elektroden Fabrikatioun.

Duerno goufen Polytert-Butylacrylat (TBA) a säi Blockcopolymer, Polytert-Butylacrylat – b-Poly 1-Butadien (TBA-B-BR), deenen hir Karboxylsäure funktionell Gruppe geschützt sinn duerch thermolyséiert T-Butylgrupp, ausgewielt an d’Experiment. Tatsächlech ass TBA de Virgänger vu PAA, déi allgemeng an aktuellen Lithium-Ion-Batterien benotzt gëtt, awer kann net a sulfid-baséiert ganz zolidd Lithium-Batterien benotzt ginn wéinst senger Polaritéit Mëssverständnis. Déi staark Polaritéit vu PAA kann gewalteg mat Sulfidelektrolyte reagéieren, awer mat der Schutzkarboxylsäure funktionneller Grupp vum T-Butyl kann d’Polaritéit vum PAA reduzéiert ginn, wat et erlaabt an net-polare oder schwaach polare Léisungsmëttelen opléisen. No der Hëtztbehandlung gëtt d’T-Butylester-Grupp zerstéiert fir Isobuten ze verëffentlechen, wat zu der Bildung vu Carboxylsäure resultéiert, wéi an der Figur B. D’Produkter vun den zwee Polymer deprotectéiert ginn duerch (deprotectéiert) TBA an (deprotectéiert) TBA- B-BR.

D’Bild

Schlussendlech kann de paA-ähnleche Binder gutt mat NCM verbannen, während de ganze Prozess op der Plaz stattfënnt. Et ass verstanen datt dëst déi éischte Kéier ass datt en in situ Polaritéitskonvertéierungsschema an enger all-solid-state Lithium Batterie benotzt gouf.

Wat d’Temperatur vun der Hëtztbehandlung ugeet, gouf kee evident Masseverloscht bei 120 ℃ observéiert, während déi entspriechend Mass vun der Butylgrupp no ​​15h bei 160 ℃ verluer ass. Dëst weist datt et eng gewëssen Temperatur ass, bei där Butyl ewechgeholl ka ginn (an der aktueller Produktioun ass dës Temperaturzäit ze laang, ob et eng méi adäquat Temperatur oder Konditioun ass fir d’Produktiounseffizienz ze verbesseren brauch weider Fuerschung an Diskussioun). Ft-ir Resultater vu Materialien virun an no der Deprotectioun hunn och gewisen datt zolidd Elektrolyt den Entschutzprozess net stéiert. De Klebstofffilm gouf mam Klebstoff virum an no der Entschutz gemaach, an d’Resultat huet gewisen datt de Klebstoff no der Entprotectioun méi staark Adhäsioun mam Flëssegkeetskollektor huet. Fir d’Kompatibilitéit vum Bindemëttel an Elektrolyt virun an no der Entschutz ze testen, goufen XRD a Raman Analyse duerchgefouert, an d’Resultater weisen datt de LPSCl zolidd Elektrolyt eng gutt Kompatibilitéit mam getestene Bindemittel hat.

Als nächst, maacht eng ganz zolidd-State Batterie a kuckt wéi et funktionnéiert. Benotzen NCM711 74.5% / LPSCL21.5% / SP2% / Binder 2%, weist der Sträif Kraaft vun Pole Blat, datt d’Sträif Kraaft déi gréisste ass wann Binder tBA-B-BR benotzt gëtt (wéi an der Figur 1 gewisen). Mëttlerweil huet d’Strippzäit och en Impakt op d’Strippstäerkt. Déi deprotectéiert TBA Elektrodenplack ass brécheg an einfach ze briechen, sou datt TBA-B-BR mat gudder Flexibilitéit an héijer Peelstäerkt als Haaptbinder ausgewielt gëtt fir d’Batterieleistung ze testen.

Figur 1. Peel Kraaft mat verschiddene Bindemëttel

De Binder selwer ass ionesch isoléierend. Fir den Effet vun der Zousatz vun Bindemittel op ionesch Konduktivitéit ze studéieren, goufen zwou Gruppen vun Experimenter duerchgefouert, eng Grupp mat 97.5% Elektrolyt + 2.5% Binder an déi aner Grupp ouni Bindemittel. Et gouf festgestallt datt d’ionesch Konduktivitéit ouni Binder 4.8 × 10-3 SCM-1 war, an d’Konduktivitéit mat Binder war och 10-3 Uerdnung vun der Gréisst. D’elektrochemesch Stabilitéit vun TBA-B-BR gouf duerch CV Test bewisen.

dräi

Halschent Batterie a voll Batterie Leeschtung

Vill Comparativ Tester weisen datt de ofgeschützte Bindemittel besser Adhäsioun huet an keen Effekt op d’Migratioun vu Lithiumionen huet. Benotzt verschidde Binder gemaach Hallefzell fir d’elektrochemesch Eegeschaften ze testen, verschidde experimentell Hallefzelle respektiv duerch Mëschung mat Bindemittel de positiven, kee Binder vum festen Elektrolyt a Li – An der Elektrode vun eenzel Faktor Experimenter, net gemëscht mat Binder Am festen Elektrolyt, ze beweisen, datt déi verschidden Afloss op d’Anode Binder. Seng elektrochemesch Leeschtungsresultater ginn an der Figur hei ënnen gewisen:

D’Bild

An der Figur uewendriwwer: a. ass d’Hallefzellzyklusleistung vu verschiddene Bindemëttel wann d’Dicht vun der positiver Uewerfläch 8mg/cm2 ass, a B ass d’Hallefzellzyklusleistung vu verschiddene Bindemëttel wann d’Dicht vun der positiver Uewerfläch 16mg/cm2 ass. Et kann aus den uewe genannte Resultater gesi ginn datt (deprotectéiert) TBA-B-BR wesentlech besser Batteriezyklusleistung huet wéi aner Bindemëttel, an d’Zyklusdiagramm gëtt mam Peel-Stäerktdiagramm verglach, wat weist datt d’mechanesch Eegeschafte vun de Pole eng wichteg Roll an der Leeschtung vun Zyklus Leeschtung.

D’Bild

Déi lénks Figur weist den EIS vun NCM711 / Li-IN Hallefzell virum Zyklus, an déi richteg Figur weist den EIS vun der Hallefzell ouni den Zyklus vun 0.1c fir 50 Wochen. D’EIS vun hallef Zell benotzt (deprotected) TBA-B-BR an BR Binder bzw. Et kann aus dem EIS Diagramm ofgeschloss ginn wéi follegt:

1. Egal wéi vill Zyklen, d’Elektrolytschicht RSE vun all Batterie ass ongeféier 10 ω cm2, wat d’inherent Volumenresistenz vun Elektrolyt LPSCl duerstellt 2. D’Laaschttransferimpedanz (RCT) erhéicht während dem Zyklus, awer d’Erhéijung vum RCT benotzt BR Binder war wesentlech méi héich wéi dat mat tBA-B-BR Binder. Et kann gesi ginn datt d’Bindung tëscht aktive Substanzen mat BR Binder net ganz staark war, an et gouf loosening am Zyklus.

D’Bild

SEM gouf benotzt fir de Querschnitt vun de Pole Scheiwen a verschiddene Staaten ze beobachten, an d’Resultater ginn an der Figur uewen gewisen: a. Tba-b-br virum Zirkulatioun (Entschutz); B. virun Circulatioun BR; C. TBA-B-BR no 25 Wochen (Deprotection); D. no 25 Wochen BR;

Zyklus virun all Elektroden kann enk Kontakt tëscht aktive Partikelen observéiert ginn, kann nëmme kleng Lächer gesinn, mä no 25 Wochen Zyklus, kann déi offensichtlech Ännerung gesinn, benotzt an c (ofhuelen) Associates – b – déi positiv Aktivitéit vun der BR meeschte Partikel oder keng Rëss, a mat der Elektrodenaktivitéit vu BR Binderpartikelen ginn et vill Rëss an der Mëtt, Wéi am giele Beräich vun D gewisen, zousätzlech sinn Elektrolyt- an NCM-Partikel méi eescht getrennt, wat wichteg Grënn fir Batterie sinn Leeschtung attenuation.

D’Bild

Endlech gëtt d’Leeschtung vun der ganzer Batterie verifizéiert. Déi positiv Elektrode NCM711 / negativ Elektroden GRAPHIT kann 153mAh / g am éischten Zyklus erreechen an 85.5% no 45 Zyklen erhalen.

véier

E kuerze Resumé

Als Conclusioun, an all-solid-state Lithium Batterien, zolidd Kontakt tëscht aktive Substanzen, héich mechanesch Eegeschaften an Interface Stabilitéit sinn déi wichtegst fir eng héich elektrochemesch Leeschtung ze kréien.