Bateritë në gjendje të ngurtë me bazë squfuri pritet të zëvendësojnë bateritë aktuale litium-jon për shkak të performancës së tyre të lartë të sigurisë. Megjithatë, në procesin e përgatitjes së llumit të baterive në gjendje të ngurtë, ka polaritete të papajtueshme midis elektrolitit tretës, lidhës dhe sulfid, kështu që nuk ka asnjë mënyrë për të arritur prodhim në shkallë të gjerë aktualisht. Aktualisht, hulumtimi mbi baterinë në gjendje të ngurtë kryhet kryesisht në shkallë laboratorike, dhe vëllimi i baterisë është relativisht i vogël. Prodhimi në shkallë të gjerë i baterive në gjendje të ngurtë është ende drejt procesit ekzistues të prodhimit, domethënë, lënda aktive përgatitet në llum dhe më pas lyhet dhe thahet, gjë që mund të ketë kosto më të ulët dhe efikasitet më të lartë.

një

Vështirësitë e hasura

Prandaj, është e vështirë të gjesh lidhës dhe tretës të përshtatshëm polimer për të mbështetur tretësirën e lëngshme. Shumica e elektroliteve të ngurta me bazë squfuri mund të treten në tretës polare, siç është NMP që përdorim aktualisht. Pra, zgjedhja e tretësit mund të jetë e njëanshme vetëm ndaj polaritetit jopolar ose relativisht të dobët të tretësit, që do të thotë se zgjedhja e lidhësit është gjithashtu përkatësisht e ngushtë – shumica e grupeve funksionale polare të polimerit nuk mund të përdoren!

This is not the worst problem. In terms of polarity, binders that are relatively compatible with solvents and sulfide electrolytes will lead to reduced bond between aggregates and active substances and electrolytes, which will undoubtedly lead to extreme electrode impedance and fast capacity decay, which is extremely detrimental to battery performance.

Për të përmbushur kërkesat e mësipërme, mund të zgjidhen tre substancat kryesore (lidhës, tretës, elektrolit), vetëm tretës polare jo polare ose të dobëta, si para-(P) ksilen, tolueni, n-heksan, anisol etj. ., duke përdorur lidhës të dobët polimer polar, si gome butadiene (BR), gome stiren butadiene (SBR), SEBS, klorur polivinil (PVC), gome nitrili (NBR), gome silikoni dhe celulozë etil, për të përmbushur performancën e kërkuar .

dy

In situ polar – non-polar conversion scheme

Në këtë punim, prezantohet një lloj i ri lidhësi, i cili mund të ndryshojë polaritetin e elektrodës gjatë përpunimit me anë të kimisë mbrojtës-de-mbrojtje. Grupet funksionale polare të këtij lidhësi mbrohen nga grupe funksionale jopolare tert-butil, duke siguruar që lidhësi të mund të përputhet me elektrolitin sulfid (në këtë rast LPSCl) gjatë përgatitjes së pastës së elektrodës. Pastaj përmes trajtimit termik, përkatësisht procesit të tharjes së elektrodës, grupi funksional tert-butil i lidhësit polimer mund të ndahet termikisht, për të arritur qëllimin e mbrojtjes, dhe në fund të merret lidhësi polar. Shih Figurën A.

Piktura

BR (gome butadiene) u zgjodh si lidhës polimer për baterinë sulfide në gjendje të ngurtë duke krahasuar vetitë mekanike dhe elektrokimike të elektrodës. Përveç përmirësimit të vetive mekanike dhe elektrokimike të baterive në gjendje të ngurtë, ky hulumtim hap një qasje të re për dizajnin e lidhësit polimer, i cili është një qasje kimike e mbrojtjes-de-mbrojtjes për të mbajtur elektrodat në gjendjen e duhur dhe të dëshiruar në faza të ndryshme të prodhimit të elektrodave.

Më pas, politert-butilakrilat (TBA) dhe kopolimeri i tij në bllok, politert-butilakrilat – b-poli 1, 4-butadieni (TBA-B-BR), grupet funksionale të acidit karboksilik të të cilit mbrohen nga grupi T-butil i termolizuar. eksperimenti. Në fakt, TBA është pararendësi i PAA, i cili përdoret zakonisht në bateritë aktuale të joneve të litiumit, por nuk mund të përdoret në bateritë e litiumit tërësisht të ngurtë me bazë sulfide për shkak të mospërputhjes së polaritetit të tij. Polariteti i fortë i PAA mund të reagojë dhunshëm me elektrolitet sulfide, por me grupin funksional mbrojtës të acidit karboksilik të T-butilit, polariteti i PAA mund të reduktohet, duke e lejuar atë të shpërndahet në tretës jo polare ose dobët polare. Pas trajtimit termik, grupi i esterit t-butil dekompozohet për të çliruar izobuten, duke rezultuar në formimin e acidit karboksilik, siç tregohet në figurën B. Produktet e dy polimerit të dembrojtur përfaqësohen nga TBA (i dembrojtur) dhe (i pambrojtur) TBA- B-BR.

Piktura

Më në fund, lidhësi i ngjashëm me paA mund të lidhet mirë me NCM, ndërsa i gjithë procesi zhvillohet në vend. Kuptohet se kjo është hera e parë që një skemë e konvertimit të polaritetit në vend është përdorur në një bateri litiumi në gjendje të ngurtë.

Sa i përket temperaturës së trajtimit termik, nuk u vu re asnjë humbje e dukshme në masë në 120℃, ndërsa masa përkatëse e grupit butil humbi pas 15h në 160℃. Kjo tregon se ka një temperaturë të caktuar në të cilën butili mund të hiqet (në prodhimin aktual, kjo kohë e temperaturës është shumë e gjatë, nëse ka një temperaturë ose gjendje më të përshtatshme për të përmirësuar efikasitetin e prodhimit, ka nevojë për hulumtime dhe diskutime të mëtejshme). Rezultatet Ft-ir të materialeve para dhe pas dembrojtjes treguan gjithashtu se elektroliti i ngurtë nuk ndërhyri në procesin e dembrojtjes. Filmi ngjitës është bërë me ngjitësin para dhe pas dembrojtjes, dhe rezultati tregoi se ngjitësi pas dembrojtjes kishte ngjitje më të fortë me kolektorin e lëngut. Për të testuar përputhshmërinë e lidhësit dhe elektrolitit para dhe pas dembrojtjes, u kryen analiza XRD dhe Raman, dhe rezultatet treguan se elektroliti i ngurtë LPSCl kishte përputhshmëri të mirë me lidhësin e testuar.

Më pas, bëni një bateri në gjendje të ngurtë dhe shikoni se si funksionon. Duke përdorur NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ lidhës 2%, forca e heqjes së fletës së shtyllës tregon se forca e heqjes është më e madhja kur përdoret lidhësi tBA-B-BR (siç tregohet në figurën 1). Ndërkohë në forcën e zhveshjes ka ndikim edhe koha e zhveshjes. Fleta e elektrodës TBA e dembrojtur është e brishtë dhe e lehtë për t’u thyer, kështu që TBA-B-BR me fleksibilitet të mirë dhe forcë të lartë të lëvores zgjidhet si lidhësi kryesor për të testuar performancën e baterisë.

Figura 1. Forca e lëvores me lidhës të ndryshëm

Vetë lidhësi është izolues jonik. Për të studiuar efektin e shtimit të lidhësit në përçueshmërinë jonike, u kryen dy grupe eksperimentesh, njëri grup përmbante 97.5% elektrolit +2.5% lidhës dhe grupi tjetër që nuk përmbante lidhës. U zbulua se përçueshmëria jonike pa lidhës ishte 4.8×10-3 SCM-1, dhe përçueshmëria me lidhës ishte gjithashtu 10-3 e rendit të madhësisë. Stabiliteti elektrokimik i TBA-B-BR u vërtetua me testin CV.

tre

Gjysmë bateri dhe performancë e plotë e baterisë

Shumë teste krahasuese tregojnë se lidhësi i dembrojtur ka ngjitje më të mirë dhe nuk ka asnjë efekt në migrimin e joneve të litiumit. Duke përdorur gjysmë qelizë të ndryshme lidhëse të bëra për të testuar vetitë elektrokimike, gjysmë qelizë të ndryshme eksperimentale përkatësisht duke përzier me lidhës pozitivin, pa lidhës të elektrolitit të ngurtë dhe Li – Në elektrodën e eksperimenteve me një faktor, jo të përzier me lidhës Në elektrolitin e ngurtë, për të vërtetuar se ndikimi i ndryshëm në lidhësin e anodës. Rezultatet e performancës së tij elektrokimike janë paraqitur në figurën më poshtë:

Piktura

In the figure above: a. is the half-cell cycle performance of different binders when the density of the positive surface is 8mg/cm2, and B is the half-cell cycle performance of different binders when the density of the positive surface is 16mg/cm2. It can be seen from the above results that (deprotected) TBA-B-BR has significantly better battery cycle performance than other binders, and the cycle diagram is compared with the peel strength diagram, which shows that the mechanical properties of the poles play an important role in the performance of cycle performance.

Piktura

Figura e majtë tregon EIS-in e gjysmëqelizës NCM711/Li-IN përpara ciklit, dhe figura e djathtë tregon EIS-in e gjysmë qelizës pa ciklin 0.1c për 50 javë. EIS e gjysmë qelizës duke përdorur përkatësisht lidhësin TBA-B-BR dhe BR (të pambrojtur). Nga diagrami EIS mund të konkludohet si më poshtë:

1. Pa marrë parasysh sa cikle, shtresa e elektrolitit RSE e çdo baterie është rreth 10 ω cm2, që përfaqëson rezistencën e natyrshme të vëllimit të elektrolitit LPSCl 2. Impedanca e transferimit të ngarkesës (RCT) u rrit gjatë ciklit, por RRITJA e RCT duke përdorur Lidhësi BR ishte dukshëm më i lartë se ai duke përdorur lidhësin tBA-B-BR. Mund të shihet se lidhja midis substancave aktive duke përdorur lidhësin BR nuk ishte shumë e fortë dhe kishte lirim në cikël.

Piktura

SEM është përdorur për të vëzhguar prerjen tërthore të fetave të shtyllave në gjendje të ndryshme, dhe rezultatet janë paraqitur në figurën e mësipërme: a. Tba-b-br para qarkullimit (dembrojtje); B. para qarkullimit BR; C. TBA-B-BR pas 25 javësh (deprotection); D. pas 25 javësh BR;

Cikli përpara se të gjitha elektroda të mund të vërehet nga afër kontakti midis grimcave aktive, mund të shohë vetëm vrima të vogla, por pas 25 javësh të ciklit, mund të shohë ndryshimin e dukshëm, të përdorur në c (heqje) shoqëruesit – b – aktiviteti pozitiv i shumicës së grimcave BR ose nuk ka çarje, dhe duke përdorur aktivitetin e elektrodës së grimcave lidhëse BR ka shumë çarje në mes, siç tregohet në zonën e verdhë të D, përveç kësaj, grimcat e elektrolitit dhe NCM ndahen më seriozisht, të cilat janë arsye të rëndësishme për baterinë. zbutja e performancës.

Piktura

Më në fund verifikohet performanca e të gjithë baterisë. Elektroda pozitive NCM711/grafiti i elektrodës negative mund të arrijë 153 mAh/g në ciklin e parë dhe të ruajë 85.5% pas 45 cikleve.

katër

Një përmbledhje e shkurtër

Si përfundim, në bateritë e litiumit në gjendje të ngurtë, kontakti i ngurtë midis substancave aktive, vetitë e larta mekanike dhe stabiliteti i ndërfaqes janë më të rëndësishmet për të marrë performancë të lartë elektrokimike.