Pričakuje se, da bodo polprevodniške baterije na osnovi žvepla nadomestile sedanje litij-ionske baterije zaradi njihove vrhunske varnostne učinkovitosti. Vendar pa v procesu priprave polprevodniške akumulatorske suspenzije obstajajo nezdružljive polarnosti med topilom, vezivom in sulfidnim elektrolitom, zato trenutno ni mogoče doseči obsežne proizvodnje. Trenutno se raziskave polprevodniške baterije izvajajo predvsem v laboratorijskem merilu, prostornina baterije pa je relativno majhna. Obsežna proizvodnja polprevodniških baterij je še vedno v smeri obstoječega proizvodnega procesa, to je, da se aktivna snov pripravi v kašo in nato premaže in posuši, kar ima lahko nižjo ceno in večjo učinkovitost.

ena

Težave, s katerimi se sooča

Zato je težko najti primerno polimerno vezivo in topilo za podporo tekoči raztopini. Večino trdnih elektrolitov na osnovi žvepla je mogoče raztopiti v polarnih topilih, kot je NMP, ki ga trenutno uporabljamo. Izbira topila je torej lahko pristranska le do nepolarne ali relativno šibke polarnosti topila, kar pomeni, da je tudi izbira veziva ustrezno ozka – večine polarnih funkcionalnih skupin polimera ni mogoče uporabiti!

To ni najhujša težava. Glede polarnosti bodo veziva, ki so relativno kompatibilna s topili in sulfidnimi elektroliti, privedla do zmanjšane vezi med agregati in aktivnimi snovmi ter elektroliti, kar bo nedvomno povzročilo ekstremno impedanco elektrod in hitro upadanje zmogljivosti, kar je izjemno škodljivo za delovanje baterije.

Za izpolnitev zgornjih zahtev je mogoče izbrati tri glavne snovi (vezivo, topilo, elektrolit), samo nepolarna ali šibka polarna topila, kot so para-(P) ksilen, toluen, n-heksan, anisol itd. ., z uporabo šibkega polarnega polimernega veziva, kot so butadienska guma (BR), stiren butadienska guma (SBR), SEBS, polivinil klorid (PVC), nitrilna guma (NBR), silikonska guma in etil celuloza, da bi dosegli zahtevano zmogljivost .

dva

In situ polar – nepolarna pretvorbena shema

V prispevku je predstavljena nova vrsta veziva, ki lahko s pomočjo kemije zaščite-de-protection spremeni polarnost elektrode med obdelavo. Polarne funkcionalne skupine tega veziva so zaščitene z nepolarnimi terc-butilnimi funkcionalnimi skupinami, ki zagotavljajo, da se vezivo med pripravo elektrodne paste lahko uskladi s sulfidnim elektrolitom (v tem primeru LPSCl). Nato lahko s toplotno obdelavo, in sicer s postopkom sušenja elektrode, terc-butilno funkcionalno skupino polimernega veziva toplotno razdelimo, da dosežemo namen zaščite, in na koncu dobimo polarno vezivo. Glej sliko A.

Slika

BR (butadienski kavčuk) je bil izbran kot polimerno vezivo za sulfidno polprevodniško baterijo s primerjavo mehanskih in elektrokemičnih lastnosti elektrode. Poleg izboljšanja mehanskih in elektrokemičnih lastnosti polprevodniških baterij, ta raziskava odpira nov pristop k oblikovanju polimernega veziva, ki je zaščitni-de-zaščitni-kemični pristop, ki ohranja elektrode v ustreznem in želenem stanju pri različne faze izdelave elektrod.

Nato sta bila izbrana politert-butilakrilat (TBA) in njegov blok kopolimer, politert-butilakrilat – b-poli 1-butadien (TBA-B-BR), katerega funkcionalne skupine karboksilne kisline so zaščitene s termolizirano T-butilno skupino. poskus. Pravzaprav je TBA predhodnik PAA, ki se običajno uporablja v trenutnih litij-ionskih baterijah, vendar ga zaradi neusklajenosti polarnosti ni mogoče uporabiti v popolnoma trdnih litijevih baterijah na osnovi sulfida. Močna polarnost PAA lahko burno reagira s sulfidnimi elektroliti, toda z zaščitno funkcionalno skupino karboksilne kisline T-butila se lahko polarnost PAA zmanjša, kar omogoča, da se raztopi v nepolarnih ali šibko polarnih topilih. Po toplotni obdelavi se skupina t-butil estra razgradi, da se sprosti izobuten, kar povzroči tvorbo karboksilne kisline, kot je prikazano na sliki B. B-BR.

Slika

Končno, paA podobno vezivo se lahko dobro veže z NCM, medtem ko celoten proces poteka in situ. Razume se, da je to prvič, da je bila shema pretvorbe polarnosti in situ uporabljena v popolnoma polprevodniški litijevi bateriji.

Kar zadeva temperaturo toplotne obdelave, pri 120 ℃ niso opazili očitne izgube mase, medtem ko je bila ustrezna masa butilne skupine izgubljena po 15 urah pri 160 ℃. To kaže, da obstaja določena temperatura, pri kateri je butil mogoče odstraniti (v dejanski proizvodnji je ta temperaturni čas predolg, ali obstaja primernejša temperatura ali pogoj za izboljšanje učinkovitosti proizvodnje, potrebuje nadaljnje raziskave in razpravo). Rezultati Ft-ir materialov pred in po odstranitvi zaščite so prav tako pokazali, da trdni elektrolit ni oviral postopka odstranjevanja zaščite. Lepilni film je bil narejen z lepilom pred in po odstranitvi zaščite, rezultat pa je pokazal, da ima lepilo po odstranitvi močnejši oprijem z zbiralnikom tekočine. Da bi preverili kompatibilnost veziva in elektrolita pred in po odstranitvi zaščite, smo izvedli XRD in Ramanovo analizo, rezultati pa so pokazali, da je trdni elektrolit LPSCl dobro kompatibilen s testiranim vezivom.

Nato naredite polprevodniško baterijo in si oglejte, kako deluje. Z uporabo NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ veziva 2%, odporna trdnost polne plošče kaže, da je trdnost odstranjevanja največja pri uporabi veziva tBA-B-BR (kot je prikazano na sliki 1). Medtem pa čas odstranjevanja vpliva tudi na trdnost odstranjevanja. TBA elektrodna plošča brez zaščite je krhka in se zlahka zlomi, zato je TBA-B-BR z dobro fleksibilnostjo in visoko trdnostjo na luščenje izbran kot glavno vezivo za testiranje delovanja baterije.

Slika 1. Moč luščenja z različnimi vezivi

Vezivo samo po sebi je ionsko izolativno. Za preučevanje vpliva dodatka veziva na ionsko prevodnost smo izvedli dve skupini poskusov, ena skupina je vsebovala 97.5 % elektrolita + 2.5 % veziva in druga skupina brez veziva. Ugotovljeno je bilo, da je bila ionska prevodnost brez veziva 4.8×10-3 SCM-1, prevodnost z vezivom pa tudi 10-3 reda velikosti. Elektrokemijsko stabilnost TBA-B-BR smo dokazali s CV testom.

3

Polna baterija in polna zmogljivost baterije

Številni primerjalni testi kažejo, da ima vezivo brez zaščite boljši oprijem in nima vpliva na migracijo litijevih ionov. Z uporabo različnih vezivnih polovičnih celic za testiranje elektrokemijskih lastnosti, različnih eksperimentalnih polovičnih celic, ki so pomešane z vezivom pozitivno, brez veziva trdnega elektrolita in Li – v elektrodi eksperimentov z enim faktorjem, ki niso pomešane z vezivom v trdnem elektrolitu, dokazati, da je različen vpliv na anodno vezivo. Njegovi elektrokemični rezultati so prikazani na spodnji sliki:

Slika

Na zgornji sliki: a. je učinkovitost polceličnega cikla različnih veziv, ko je gostota pozitivne površine 8 mg/cm2, in B je učinkovitost polceličnega cikla različnih veziv, ko je gostota pozitivne površine 16 mg/cm2. Iz zgornjih rezultatov je razvidno, da ima (brez zaščite) TBA-B-BR bistveno boljšo zmogljivost cikla akumulatorja kot druga veziva, diagram cikla pa je v primerjavi z diagramom trdnosti lupljenja, kar kaže, da mehanske lastnosti drogov igrajo pomembno vlogo. pomembno vlogo pri izvedbi cikla.

Slika

Leva slika prikazuje EIS polovice celice NCM711/Li-IN pred ciklom, desna slika pa EIS polovice celice brez cikla 0.1c za 50 tednov. EIS polovice celice z uporabo (odstranjene zaščite) TBA-B-BR in BR veziva. Iz diagrama EIS je mogoče sklepati na naslednji način:

1. Ne glede na to, koliko ciklov je plast elektrolita RSE vsake baterije približno 10 ω cm2, kar predstavlja lastno prostorninsko upornost elektrolita LPSCl 2. Impedanca prenosa naboja (RCT) se je med ciklom povečala, vendar se je POVEČANJE RCT z uporabo BR vezivo je bilo bistveno višje kot pri uporabi veziva tBA-B-BR. Vidimo, da vez med aktivnimi snovmi z uporabo BR veziva ni bila zelo močna in je prišlo do rahljanja v ciklu.

Slika

SEM je bil uporabljen za opazovanje preseka polnih rezin v različnih stanjih, rezultati pa so prikazani na zgornji sliki: a. Tba-b-br pred obtokom (odstranitev zaščite); B. pred obtokom BR; C. TBA-B-BR po 25 tednih (odstranitev zaščite); D. po 25 tednih BR;

Cikel pred vsemi elektrodami lahko opazimo tesen stik med aktivnimi delci, vidimo le majhne luknje, po 25 tednih cikla pa lahko vidimo očitno spremembo, ki se uporablja pri c (vzletu) sodelavci – b – pozitivna aktivnost večine delcev BR ali brez razpok in z uporabo elektrodne aktivnosti delcev veziva BR je na sredini veliko razpok, kot je prikazano v rumenem območju D, poleg tega so delci elektrolita in NCM resneje ločeni, kar je pomemben razlog za baterijo slabljenje zmogljivosti.

Slika

Na koncu se preveri delovanje celotne baterije. Pozitivna elektroda NCM711/ negativna elektroda grafit lahko doseže 153 mAh/g v prvem ciklu in ohrani 85.5 % po 45 ciklih.

štiri

Kratek povzetek

Skratka, pri polprevodniških litijevih baterijah so trdni stik med aktivnimi snovmi, visoke mehanske lastnosti in stabilnost vmesnika najpomembnejši za doseganje visoke elektrokemične zmogljivosti.