Efecto de la concentración de NMP sobre el rendimiento de la batería LFP

Fosfato de hierro y litio (LiFePO4)material del electrodo catódicola suspensión a base de aceite generalmente usaN-metilpirrolidona (NMP), dimetilsulfóxido y dimetilformamida como solventes, que tienen problemas tales como difícil recuperación de solventes, gran cantidad de uso y contaminación ambiental. La suspensión a base de agua de material de electrodo positivo LiFePO4 utiliza agua desionizada como solvente, que es respetuosa con el medio ambiente y de bajo costo, pero la lámina de electrodo positivo aglutinante a base de agua tiene problemas como poca flexibilidad, débil adhesión de materiales activos y bajo rendimiento electroquímico. En este artículo, se prepararon láminas de electrodos positivos con diferentes cantidades de adición de NMP para estudiar el efecto de NMP en el rendimiento de láminas de electrodos positivos preparadas conaglutinante a base de agua LA132.

Experimento

El aglutinante acuoso LA132, negro de carbón superconductor, agua desionizada y LiFePO4 se prepararon en suspensión en una proporción de masa de 2,5:2,5:50:40. Se agregaron cuatro porciones de suspensión con 0, 1%, 2% y 3% de NMP, numeradas A, B, C y D. Calandrado del electrodo positivo. Se secó el electrodo positivo a 100 grados al vacío durante 24 h para eliminar el agua y el NMP, y se preparó el electrodo positivo con un contenido de material activo del 95 %. Córtalo en discos de 20 mm de diámetro. Montar la pila de moneda CR2016 con electrodo negativo de hoja de metal de litio, electrolito de 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (relación de volumen 1:1:1), separador de polipropileno microporoso, en una guantera llena de gas argón seco.

Primero, doble las láminas de los electrodos A, B, C y D 180 grados y luego pruebe la adhesión de las láminas de los electrodos en una máquina de prueba de tracción. Luego, realice una prueba de tenacidad en las láminas de los electrodos en un probador de tenacidad (los diámetros de las varillas del eje son 1, 2, 3, 4, 6, 8 y 10 mm, respectivamente) y observe si hay grietas en la superficie. de las láminas de electrodos después del bobinado. La densidad de corriente de prueba de carga y descarga de la batería es de 0,1 C y el voltaje de prueba es de 2,5 ~ 3,5 V.

Resultados y discusión

La Figura 1 es un diagrama de prueba de la adhesión del electrodo LiFePO4 con una flexión de 180 grados. Puede verse en la Figura 1 que la adhesión del electrodo mejora significativamente debido a la adición de NMP, y la mejora de la adhesión del electrodo es proporcional a la cantidad de NMP agregada. La adhesión es un tipo de fuerza de van der Waals, que depende de la interacción entre moléculas.

Durante el proceso de producción de láminas de electrodos LiFePO4, las láminas de electrodos inevitablemente entrarán en contacto con el oxígeno del aire. Durante el proceso de calentamiento, las láminas de electrodos calentadas reaccionan con el oxígeno para formar grupos ácidos. Los grupos ácidos carecen de electrones y formarán enlaces de hidrógeno intermoleculares débiles con (-CN) en el aglutinante acuoso. Cambiará la tixotropía de la lechada, reducirá la fluidez y provocará un recubrimiento desigual de la lechada. Después de agregar NMP, neutralizará los grupos ácidos en las láminas de los electrodos. Puede reducir la pérdida de electrones en la superficie de las láminas de los electrodos, evitar la tixotropía de la suspensión y aumentar la adhesión entre el aglutinante y el colector de corriente. La suspensión del electrodo positivo se dispersa uniformemente y se mejora la fluidez, mejorando así la tasa de utilización de la suspensión y de las láminas de electrodos. Por lo tanto, la adición de NMP solvente rico en electrones puede mejorar el rendimiento de la batería.

La Tabla 1 muestra los resultados de la prueba de flexibilidad de cuatro tipos de láminas de electrodos. Al observar la Figura 1, se puede encontrar que aparecieron grietas en la superficie cuando la aguja de enrollar de 6 mm de diámetro probó el electrodo positivo A, y cuando se probó la aguja de enrollar de 1 mm de diámetro, los electrodos B ~ D no tenían grietas en la superficie. Se puede ver que la flexibilidad más pobre es la lámina de electrodo positivo a base de agua pura, que es propensa a agrietarse, romperse y rasgarse durante la preparación. Agregar NMP puede mejorar la flexibilidad de la lámina de electrodos y aumentar la tasa de utilización de la lámina de electrodos. Las partículas de látex del aglutinante LA132 son polímeros polares fuertes con fuertes fuerzas intermoleculares y poca capacidad de torsión, y la lámina del electrodo es fácil de romper. Con la adición de NMP, aumenta el diámetro de las partículas de látex en el aglutinante LA132, aumenta la capacidad de torsión, disminuye la capacidad de rotación de la cadena molecular y se mejora la flexibilidad de la lámina del electrodo.

La Tabla 2 muestra los resultados de la prueba de rendimiento electroquímico de la lámina de electrodo. Los valores de la capacidad específica de la primera descarga, la eficiencia de carga y descarga, el voltaje medio de descarga y la relación de corriente constante son básicamente los mismos. Esto muestra que la adición de NMP no tiene ningún efecto sobre la capacidad de descarga y las características de carga y descarga del material activo del electrodo positivo de la lámina del electrodo positivo.

Las Figuras 2 a 4 muestran la relación entre la relación de corriente constante, la capacidad específica de descarga, el voltaje medio de descarga y la cantidad adicional de NMP de las cuatro láminas de electrodos.

En la Figura 2, se puede encontrar que bajo las mismas condiciones de prueba, las relaciones de corriente constante de carga de las cuatro baterías están todas por encima del 98,2%. En las Figuras 3 y 4, se puede encontrar que la capacidad específica de descarga y el voltaje medio de la misma lámina de electrodo continúan disminuyendo con el aumento de la tasa de descarga.

La capacidad de descarga y el voltaje medio de los electrodos A y B son básicamente los mismos a diferentes velocidades de descarga. A medida que aumenta la velocidad de descarga, el voltaje medio y la capacidad de descarga de los electrodos C y D aumentan gradualmente. Se puede ver que cuando se agrega NMP en una concentración de no más del 1%, el rendimiento de descarga de la batería no se verá afectado. Cuando se agrega NMP en una concentración superior al 1%, el NMP afectará la capacidad de descarga y el voltaje medio del electrodo positivo.

La Figura 5 muestra las curvas de rendimiento del ciclo de los cuatro tipos de baterías. Al observar la Figura 5, se puede encontrar que al comienzo del ciclo de carga y descarga, las tendencias de disminución de capacidad de las láminas de electrodos A y las láminas de electrodos B son similares, y las tendencias de disminución de capacidad de las láminas de electrodos C y las láminas de electrodos D son similares , mientras que las tasas de descomposición de las láminas de electrodos C y las láminas de electrodos D son mayores. A medida que continúa el ciclo, la decadencia de las láminas de electrodos A, C y D se acelera, y la velocidad de decadencia de la lámina de electrodos B permanece básicamente sin cambios. La tasa de retención de capacidad final de la batería es la lámina de electrodo D＜C＜A＜B. Esto muestra que cuando la cantidad de NMP añadida es inferior al 1%, es beneficioso mejorar las características de ciclo de la batería, y cuando la cantidad de NMP añadida es superior al 1%, las características de ciclo de la batería se verán afectadas.

Conclusión

La adhesión de la lámina del electrodo positivo se puede mejorar agregando NMP, y la adhesión aumenta gradualmente con el aumento de la cantidad de NMP agregada. Después de agregar NMP, los grupos ácidos en el electrodo se neutralizarán, lo que puede reducir la pérdida de electrones en la superficie del electrodo, evitar la tixotropía de la lechada, aumentar la adhesión del aglutinante y el colector de corriente, hacer que la lechada del electrodo positivo se disperse uniformemente. y mejorar la fluidez, mejorando así la utilización de la suspensión y el electrodo. Cuando la cantidad de NMP agregada es inferior al 1%, no afectará el rendimiento de descarga de la batería y puede mejorar las características del ciclo de la batería. Sin embargo, cuando la cantidad de NMP agregada es superior al 1%, el NMP afectará la capacidad de descarga y el voltaje medio del electrodo positivo y reducirá las características del ciclo de la batería.