Betri za hali-imara zenye salfa zinatarajiwa kuchukua nafasi ya betri za sasa za lithiamu-ioni kwa sababu ya utendakazi wao wa hali ya juu wa usalama. Hata hivyo, katika mchakato wa maandalizi ya slurry ya betri ya hali zote, kuna polarities zisizokubaliana kati ya electrolyte ya kutengenezea, binder na sulfidi, kwa hiyo hakuna njia ya kufikia uzalishaji mkubwa kwa sasa. Kwa sasa, utafiti juu ya betri ya serikali-imara unafanywa hasa kwa kiwango cha maabara, na kiasi cha betri ni kidogo. Uzalishaji mkubwa wa betri ya hali zote bado unaelekea kwenye mchakato wa uzalishaji uliopo, yaani, dutu inayotumika hutayarishwa kuwa tope na kisha kupakwa na kukaushwa, ambayo inaweza kuwa na gharama ya chini na ufanisi wa juu.

moja

Matatizo yanayokabiliwa

Kwa hiyo, ni vigumu kupata binder ya polymer inayofaa na kutengenezea ili kusaidia ufumbuzi wa kioevu. Elektroliti dhabiti zenye salfa nyingi zinaweza kuyeyushwa katika vimumunyisho vya polar, kama vile NMP tunayotumia sasa. Kwa hiyo uchaguzi wa kutengenezea unaweza tu kuwa na upendeleo kwa polarity isiyo ya polar au duni ya kutengenezea, ambayo ina maana kwamba uchaguzi wa binder pia ni sawa na nyembamba – wengi wa vikundi vya kazi vya polar haziwezi kutumika!

Hili sio shida mbaya zaidi. Kwa upande wa polarity, viunganishi ambavyo kwa kiasi vinaendana na vimumunyisho na elektroliti za sulfidi vitasababisha kupunguzwa kwa dhamana kati ya mijumuisho na dutu hai na elektroliti, ambayo bila shaka itasababisha kuzuiwa kwa elektrodi na kuharibika kwa uwezo kwa haraka, jambo ambalo linadhuru sana utendakazi wa betri.

Ili kukidhi mahitaji yaliyo hapo juu, vitu vitatu kuu (kifunga, kiyeyushi, elektroliti) vinaweza kuchaguliwa, ni vimumunyisho visivyo vya polar au hafifu tu, kama vile para-(P) zilini, toluini, n-hexane, anisole, n.k. ., kwa kutumia kiunganishi dhaifu cha polima ya polima, Kama vile mpira wa butadiene (BR), mpira wa styrene butadiene (SBR), SEBS, polyvinyl chloride (PVC), mpira wa nitrile (NBR), mpira wa silikoni na selulosi ya ethyl, ili kukidhi utendaji unaohitajika. .

mbili

In situ polar – mpango wa ubadilishaji usio wa polar

Katika karatasi hii, aina mpya ya binder imeanzishwa, ambayo inaweza kubadilisha polarity ya electrode wakati wa machining kwa njia ya kemia ya ulinzi-de-protection. Vikundi vya kazi vya polar vya binder hii zinalindwa na vikundi vya utendaji vya tert-butyl visivyo vya polar, kuhakikisha kwamba binder inaweza kuendana na elektroliti ya sulfidi (katika kesi hii LPSCl) wakati wa utayarishaji wa kuweka elektrodi. Kisha kwa njia ya matibabu ya joto, yaani mchakato wa kukausha wa electrode, kundi la kazi la tert-butyl la binder la polymer linaweza kupasuliwa mafuta, kufikia madhumuni ya ulinzi, na hatimaye kupata binder ya polar. Angalia Kielelezo A.

Picha

BR (raba ya butadiene) ilichaguliwa kuwa kifungamanishi cha polima kwa betri ya hali-mango ya sulfidi kwa kulinganisha sifa za kiufundi na za kielektroniki za elektrodi. Mbali na kuimarisha sifa za kimitambo na za kielektroniki za betri za hali-imara, utafiti huu unafungua mbinu mpya ya muundo wa binder ya polima, ambayo ni mbinu ya kulinda-kinga-kemikali ili kuweka elektrodi katika hali inayofaa na inayotakikana. hatua tofauti za utengenezaji wa electrode.

Kisha, polytert-butylacrylate (TBA) na block yake copolymer, polytert-butylacrylate – b-poly 1, 4-butadiene (TBA-B-BR), ambao vikundi vya kazi vya asidi ya kaboksili zinalindwa na kundi la T-butyl ya thermolyzed, walichaguliwa katika majaribio. Kwa hakika, TBA ni kitangulizi cha PAA, ambayo hutumiwa kwa kawaida katika betri za sasa za ioni za lithiamu, lakini haiwezi kutumika katika betri za lithiamu zenye msingi wa sulfidi kwa sababu ya kutolingana kwake. Polarity kali ya PAA inaweza kuguswa kwa ukali na elektroliti za sulfidi, lakini kwa kikundi cha kazi cha asidi ya kaboksili ya T-butyl, polarity ya PAA inaweza kupunguzwa, ikiruhusu kuyeyuka katika vimumunyisho visivyo vya polar au dhaifu. Baada ya matibabu ya joto, kikundi cha t-butyl ester hutenganishwa ili kutolewa isobutene, na kusababisha kuundwa kwa asidi ya kaboksili, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro B. Bidhaa za polima mbili zilizotengwa zinawakilishwa na (iliyohifadhiwa) TBA na (iliyohifadhiwa) TBA- B-BR.

Picha

Hatimaye, kifungashio kama paA kinaweza kushikamana vyema na NCM, wakati mchakato mzima unafanyika katika hali. Inaeleweka kuwa hii ni mara ya kwanza kwa mpango wa ubadilishaji wa in situ polarity kutumika katika betri ya lithiamu yenye hali mango.

Kuhusu hali ya joto ya matibabu ya joto, hakuna upotezaji wa misa dhahiri uliozingatiwa kwa 120 ℃, wakati misa inayolingana ya kikundi cha butyl ilipotea baada ya masaa 15 kwa 160 ℃. Hii inaonyesha kuwa kuna halijoto fulani ambayo butyl inaweza kuondolewa (katika uzalishaji halisi, wakati huu wa joto ni mrefu sana, iwe kuna halijoto inayofaa zaidi au hali ya kuboresha ufanisi wa uzalishaji inahitaji utafiti na majadiliano zaidi). Matokeo ya Ft-ir ya nyenzo kabla na baada ya uharibifu pia yalionyesha kuwa elektroliti imara haikuingilia mchakato wa kuzuia. Filamu ya wambiso ilitengenezwa na wambiso kabla na baada ya kuzuia, na matokeo yalionyesha kuwa wambiso baada ya kuharibika ulikuwa na mshikamano wenye nguvu na mtozaji wa maji. Ili kupima upatanifu wa kiunganisha na elektroliti kabla na baada ya kutenganishwa, uchambuzi wa XRD na Raman ulifanyika, na matokeo yalionyesha kuwa elektroliti dhabiti ya LPSCl ilikuwa na utangamano mzuri na kifungamanishi kilichojaribiwa.

Ifuatayo, tengeneza betri ya hali-imara na uone jinsi inavyofanya kazi. Kwa kutumia NCM711 74.5%/ LPSCL21.5% /SP2%/ binder 2%, nguvu ya kung’oa ya karatasi ya nguzo inaonyesha kuwa nguvu ya kung’oa ni kubwa zaidi wakati binder tBA-B-BR inatumiwa (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1). Wakati huo huo, wakati wa kuchuja pia una athari kwa nguvu ya kunyoa. Laha ya elektrodi ya TBA ambayo haijalindwa ni tete na ni rahisi kuvunjika, kwa hivyo TBA-B-BR yenye kunyumbulika vizuri na uimara wa juu wa maganda huchaguliwa kama kiunganisha kikuu ili kujaribu utendakazi wa betri.

Kielelezo 1. Peel nguvu na binders tofauti

Binder yenyewe ni kuhami ionic. Ili kujifunza athari za kuongezwa kwa binder kwenye conductivity ya ionic, vikundi viwili vya majaribio vilifanyika, kikundi kimoja kilicho na 97.5% ya electrolyte + 2.5% binder na kikundi kingine kisicho na binder. Ilibainika kuwa conductivity ya ionic bila binder ilikuwa 4.8 × 10-3 SCM-1, na conductivity na binder pia ilikuwa 10-3 utaratibu wa ukubwa. Uthabiti wa kielektroniki wa TBA-B-BR ulithibitishwa na jaribio la CV.

tatu

Nusu ya betri na utendaji kamili wa betri

Vipimo vingi vya kulinganisha vinaonyesha kuwa binder iliyozuiliwa ina mshikamano bora na haina athari kwa uhamiaji wa ioni za lithiamu. Kwa kutumia kifungashio tofauti kilichoundwa nusu ya seli ili kupima sifa za kielektroniki, nusu ya chembe mbalimbali za majaribio mtawalia kwa kuchanganywa na kifungaji chanya, hakuna kifungamanishi cha elektroliti imara na Li – Katika elektrodi ya majaribio ya kipengele kimoja, isiyochanganywa na binder Katika elektroliti imara, ili kudhibitisha kuwa ushawishi tofauti kwenye kifunga anode. Matokeo yake ya utendaji wa kielektroniki yanaonyeshwa kwenye takwimu hapa chini:

Picha

Katika mchoro hapo juu: a. ni utendaji wa mzunguko wa nusu-seli wa viunganishi tofauti wakati msongamano wa uso chanya ni 8mg/cm2, na B ni utendaji wa mzunguko wa nusu-seli wa viunganishi tofauti wakati msongamano wa uso chanya ni 16mg/cm2. Inaweza kuonekana kutoka kwa matokeo ya hapo juu kwamba (iliyolindwa) TBA-B-BR ina utendaji bora wa mzunguko wa betri kuliko vifunga vingine, na mchoro wa mzunguko unalinganishwa na mchoro wa nguvu ya peel, ambayo inaonyesha kuwa sifa za mitambo za nguzo hucheza. jukumu muhimu katika utendaji wa mzunguko.

Picha

Kielelezo cha kushoto kinaonyesha EIS ya NCM711/ Li-IN nusu seli kabla ya mzunguko, na takwimu ya kulia inaonyesha EIS ya nusu ya seli bila mzunguko wa 0.1c kwa wiki 50. EIS ya nusu ya seli kwa kutumia (isiyolindwa) TBA-B-BR na BR binder mtawalia. Inaweza kuhitimishwa kutoka kwa mchoro wa EIS kama ifuatavyo:

1. Haijalishi ni mizunguko ngapi, safu ya elektroliti ya RSE ya kila betri ni karibu 10 ω cm2, ambayo inawakilisha upinzani wa asili wa kiasi cha electrolyte LPSCl 2. Impedans ya uhamisho wa malipo (RCT) iliongezeka wakati wa mzunguko, lakini ONGEZEKO la RCT kwa kutumia. BR binder ilikuwa kubwa zaidi kuliko ile inayotumia tBA-B-BR. Inaweza kuonekana kuwa uhusiano kati ya vitu vyenye kazi kwa kutumia binder ya BR haukuwa na nguvu sana, na kulikuwa na kulegea katika mzunguko.

Picha

SEM ilitumiwa kuchunguza sehemu ya msalaba wa vipande vya nguzo katika majimbo tofauti, na matokeo yanaonyeshwa kwenye takwimu hapo juu: a. Tba-b-br kabla ya mzunguko (deprotection); B. kabla ya mzunguko BR; C. TBA-B-BR baada ya wiki 25 (deprotection); D. baada ya wiki 25 BR;

Mzunguko kabla ya elektroni zote zinaweza kuzingatiwa kuwasiliana kwa karibu kati ya chembe zinazofanya kazi, unaweza kuona mashimo madogo tu, lakini baada ya mzunguko wa wiki 25, unaweza kuona mabadiliko ya wazi yanayotumiwa katika washirika wa c (kuondoa) – b – shughuli nzuri ya chembe nyingi za BR. au hakuna nyufa, na kwa kutumia shughuli ya electrode ya chembe za binder BR kuna nyufa nyingi katikati, Kama inavyoonyeshwa katika eneo la njano la D, kwa kuongeza, chembe za electrolyte na NCM zimetenganishwa kwa umakini zaidi, ambazo ni sababu muhimu za betri. kupungua kwa utendaji.

Picha

Hatimaye, utendaji wa betri nzima umethibitishwa. Elektrodi chanya NCM711/ grafiti ya elektrodi hasi inaweza kufikia 153mAh/g katika mzunguko wa kwanza na kudumisha 85.5% baada ya mizunguko 45.

nne

Muhtasari mfupi

Kwa kumalizia, katika betri za lithiamu za hali zote, mawasiliano imara kati ya vitu vyenye kazi, mali ya juu ya mitambo na utulivu wa interface ni muhimu zaidi kupata utendaji wa juu wa electrochemical.