Bateri semua keadaan pepejal berasaskan sulfur dijangka menggantikan bateri litium-ion semasa kerana prestasi keselamatannya yang unggul. Walau bagaimanapun, dalam proses penyediaan buburan bateri keadaan pepejal, terdapat kekutuban yang tidak serasi antara pelarut, pengikat dan elektrolit sulfida, jadi tidak ada cara untuk mencapai pengeluaran berskala besar pada masa ini. Pada masa ini, penyelidikan mengenai bateri keadaan pepejal terutamanya dijalankan pada skala makmal, dan isipadu bateri agak kecil. Pengeluaran besar-besaran bateri semua keadaan pepejal masih menuju kepada proses pengeluaran sedia ada, iaitu bahan aktif disediakan ke dalam buburan dan kemudian disalut dan dikeringkan, yang boleh mempunyai kos yang lebih rendah dan kecekapan yang lebih tinggi.

1

Kesukaran yang dihadapi

Oleh itu, sukar untuk mencari pengikat dan pelarut polimer yang sesuai untuk menyokong larutan cecair. Kebanyakan elektrolit pepejal berasaskan sulfur boleh dibubarkan dalam pelarut polar, seperti NMP yang kami gunakan sekarang. Jadi pilihan pelarut hanya boleh dipincang kepada kekutuban bukan kutub atau agak lemah bagi pelarut, yang bermaksud bahawa pilihan pengikat juga turut sempit – kebanyakan kumpulan berfungsi polar polimer tidak boleh digunakan!

Ini bukan masalah yang paling teruk. Dari segi kekutuban, pengikat yang agak serasi dengan pelarut dan elektrolit sulfida akan membawa kepada pengurangan ikatan antara agregat dan bahan aktif dan elektrolit, yang sudah pasti akan membawa kepada impedans elektrod yang melampau dan pereputan kapasiti yang cepat, yang sangat memudaratkan prestasi bateri.

Untuk memenuhi keperluan di atas, tiga bahan utama (pengikat, pelarut, elektrolit) boleh dipilih, hanya pelarut non-polar atau polar lemah, seperti para-(P) xilena, toluena, n-heksana, anisol, dsb. ., menggunakan pengikat polimer polar lemah, Seperti getah butadiena (BR), getah stirena butadiena (SBR), SEBS, polivinil klorida (PVC), getah nitril (NBR), getah silikon dan etil selulosa, untuk memenuhi prestasi yang diperlukan .

2

Skim penukaran in situ polar – bukan kutub

Dalam kertas ini, jenis pengikat baharu diperkenalkan, yang boleh mengubah kekutuban elektrod semasa pemesinan melalui kimia perlindungan-de-perlindungan. Kumpulan berfungsi kutub pengikat ini dilindungi oleh kumpulan fungsi tert-butil bukan kutub, memastikan bahawa pengikat boleh dipadankan dengan elektrolit sulfida (dalam kes ini LPSCl) semasa penyediaan pes elektrod. Kemudian melalui rawatan haba, iaitu proses pengeringan elektrod, kumpulan fungsi tert-butil pengikat polimer boleh menjadi perpecahan haba, untuk mencapai tujuan perlindungan, dan akhirnya mendapatkan pengikat kutub. Lihat Rajah A.

Gambar

BR (getah butadiena) telah dipilih sebagai pengikat polimer untuk bateri keadaan pepejal sulfida dengan membandingkan sifat mekanikal dan elektrokimia elektrod. Di samping mempertingkatkan sifat mekanikal dan elektrokimia bagi bateri keadaan pepejal, penyelidikan ini membuka pendekatan baharu kepada reka bentuk pengikat polimer, iaitu pendekatan perlindungan-de-perlindungan-kimia untuk memastikan elektrod dalam keadaan yang sesuai dan dikehendaki pada peringkat pembuatan elektrod yang berbeza.

Kemudian, polytert-butylacrylate (TBA) dan kopolimer bloknya, polytert-butylacrylate – b-poli 1, 4-butadiena (TBA-B-BR), yang kumpulan berfungsi asid karboksiliknya dilindungi oleh kumpulan T-butil termolisis, telah dipilih dalam eksperimen itu. Malah, TBA ialah pendahulu PAA, yang biasanya digunakan dalam bateri ion litium semasa, tetapi tidak boleh digunakan dalam bateri litium semua pepejal berasaskan sulfida kerana ketidakpadanan kekutubannya. Kekutuban kuat PAA boleh bertindak balas dengan kuat dengan elektrolit sulfida, tetapi dengan kumpulan berfungsi asid karboksilik pelindung T-butil, kekutuban PAA boleh dikurangkan, membolehkan ia larut dalam pelarut non-polar atau kutub lemah. Selepas rawatan haba, kumpulan ester t-butil diuraikan untuk membebaskan isobutena, menghasilkan pembentukan asid karboksilik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah B. Produk dua polimer yang dinyahlindung diwakili oleh (tidak dilindungi) TBA dan (tidak dilindungi) TBA- B-BR.

Gambar

Akhirnya, pengikat seperti paA boleh terikat dengan baik dengan NCM, manakala keseluruhan proses berlaku di situ. Difahamkan bahawa ini adalah kali pertama skim penukaran kekutuban in situ telah digunakan dalam bateri litium semua keadaan pepejal.

Bagi suhu rawatan haba, tiada kehilangan jisim yang jelas diperhatikan pada 120 ℃, manakala jisim kumpulan butil yang sepadan hilang selepas 15j pada 160 ℃. Ini menunjukkan bahawa terdapat suhu tertentu di mana butil boleh dikeluarkan (dalam pengeluaran sebenar, masa suhu ini terlalu lama, sama ada terdapat suhu atau keadaan yang lebih sesuai untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran memerlukan penyelidikan dan perbincangan lanjut). Keputusan Ft-ir bahan sebelum dan selepas nyahlindung juga menunjukkan bahawa elektrolit pepejal tidak mengganggu proses nyahlindung. Filem pelekat dibuat dengan pelekat sebelum dan selepas nyahlindung, dan hasilnya menunjukkan bahawa pelekat selepas nyahlindung mempunyai lekatan yang lebih kuat dengan pengumpul bendalir. Untuk menguji keserasian pengikat dan elektrolit sebelum dan selepas penyahlindungan, analisis XRD dan Raman telah dijalankan, dan keputusan menunjukkan bahawa elektrolit pepejal LPSCl mempunyai keserasian yang baik dengan pengikat yang diuji.

Seterusnya, buat bateri keadaan pepejal dan lihat prestasinya. Menggunakan NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ pengikat 2%, kekuatan pelucutan kepingan tiang menunjukkan bahawa kekuatan pelucutan adalah yang terbesar apabila pengikat tBA-B-BR digunakan (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1). Sementara itu, masa pelucutan juga memberi kesan kepada kekuatan pelucutan. Lembaran elektrod TBA yang tidak dilindungi adalah rapuh dan mudah patah, jadi TBA-B-BR dengan fleksibiliti yang baik dan kekuatan kulit yang tinggi dipilih sebagai pengikat utama untuk menguji prestasi bateri.

Rajah 1. Kekuatan kupas dengan pengikat yang berbeza

Pengikat itu sendiri adalah penebat ionik. Bagi mengkaji kesan penambahan bahan pengikat terhadap kekonduksian ionik, dua kumpulan eksperimen telah dijalankan, satu kumpulan mengandungi 97.5% elektrolit +2.5% pengikat dan kumpulan satu lagi tidak mengandungi pengikat. Didapati bahawa kekonduksian ionik tanpa pengikat ialah 4.8×10-3 SCM-1, dan kekonduksian dengan pengikat juga adalah 10-3 tertib magnitud. Kestabilan elektrokimia TBA-B-BR telah dibuktikan dengan ujian CV.

3

Separuh bateri dan prestasi bateri penuh

Banyak ujian perbandingan menunjukkan bahawa pengikat yang tidak dilindungi mempunyai lekatan yang lebih baik dan tidak mempunyai kesan ke atas penghijrahan ion litium. Menggunakan pengikat yang berbeza dibuat separuh sel untuk menguji sifat elektrokimia, pelbagai eksperimen separuh sel masing-masing dengan dicampur dengan pengikat positif, tiada pengikat elektrolit pepejal dan Li – Dalam elektrod eksperimen faktor tunggal, tidak dicampur dengan pengikat Dalam elektrolit pepejal, untuk membuktikan bahawa pengaruh yang berbeza pada pengikat anod. Keputusan prestasi elektrokimianya ditunjukkan dalam rajah di bawah:

Gambar

Dalam rajah di atas: a. ialah prestasi kitaran separuh sel bagi pengikat berbeza apabila ketumpatan permukaan positif ialah 8mg/cm2, dan B ialah prestasi kitaran separuh sel bagi pengikat berbeza apabila ketumpatan permukaan positif ialah 16mg/cm2. Ia boleh dilihat daripada keputusan di atas bahawa (tidak dilindungi) TBA-B-BR mempunyai prestasi kitaran bateri yang jauh lebih baik daripada pengikat lain, dan rajah kitaran dibandingkan dengan rajah kekuatan kulit, yang menunjukkan bahawa sifat mekanikal kutub memainkan peranan penting dalam prestasi prestasi kitaran.

Gambar

Angka kiri menunjukkan EIS separuh sel NCM711/ Li-IN sebelum kitaran, dan angka kanan menunjukkan EIS separuh sel tanpa kitaran 0.1c selama 50 minggu. EIS separuh sel menggunakan (tidak dilindungi) pengikat TBA-B-BR dan BR masing-masing. Ia boleh disimpulkan daripada rajah EIS seperti berikut:

1. Tidak kira berapa banyak kitaran, RSE lapisan elektrolit setiap bateri adalah sekitar 10 ω cm2, yang mewakili rintangan isipadu yang wujud bagi elektrolit LPSCl 2. Galangan pemindahan cas (RCT) meningkat semasa kitaran, tetapi PENINGKATAN RCT menggunakan Pengikat BR adalah jauh lebih tinggi daripada yang menggunakan pengikat tBA-B-BR. Dapat dilihat bahawa ikatan antara bahan aktif menggunakan pengikat BR tidak begitu kuat, dan terdapat kelonggaran dalam kitaran.

Gambar

SEM digunakan untuk memerhati keratan rentas kepingan tiang dalam keadaan yang berbeza, dan keputusan ditunjukkan dalam rajah di atas: a. Tba-b-br sebelum peredaran (deprotection); B. sebelum peredaran BR; C. TBA-B-BR selepas 25 minggu (deprotection); D. selepas 25 minggu BR;

Kitaran sebelum semua elektrod boleh diperhatikan bersentuhan rapat antara zarah aktif, hanya boleh melihat lubang kecil, tetapi selepas kitaran 25 minggu, dapat melihat perubahan yang jelas, digunakan dalam c (berlepas) bersekutu – b – aktiviti positif BR kebanyakan zarah atau tiada retak, dan menggunakan aktiviti elektrod zarah pengikat BR terdapat banyak keretakan di tengah, Seperti yang ditunjukkan dalam kawasan kuning D, di samping itu, zarah elektrolit dan NCM dipisahkan dengan lebih serius, yang merupakan sebab penting untuk bateri pengecilan prestasi.

Gambar

Akhirnya, prestasi keseluruhan bateri disahkan. Elektrod positif NCM711/ grafit elektrod negatif boleh mencapai 153mAh/g dalam kitaran pertama dan mengekalkan 85.5% selepas 45 kitaran.

4

Ringkasan ringkas

Kesimpulannya, dalam bateri litium semua keadaan pepejal, sentuhan pepejal antara bahan aktif, sifat mekanikal yang tinggi dan kestabilan antara muka adalah yang paling penting untuk mendapatkan prestasi elektrokimia yang tinggi.