Растворитель

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 23150 (2016) Цитировать эту статью

44 тыс. доступов

114 цитат

9 Альтметрика

Подробности о метриках

Электроды литий-ионных аккумуляторов были изготовлены с использованием нового, полностью сухого процесса порошковой окраски. Растворители, используемые для изготовления обычных электродов, отлитых из суспензии, были полностью удалены. Время термической активации было значительно сокращено благодаря трудоемкому и ресурсоемкому процессу испарения растворителя, необходимому при замене производства литых электродов процессом горячей прокатки. Было обнаружено, что время термической активации, вызывающее механическое связывание термопластичного полимера с оставшимися активными частицами электрода, составляет всего несколько секунд. Удаление растворителя и процесс сушки позволяют крупномасштабному производству литий-ионных аккумуляторов стать более экономически выгодным на таких рынках, как автомобильные системы хранения энергии. Благодаря пониманию поверхностной энергии различных порошков, которая влияет на смешивание порошков и распределение связующего, испытания на связывание сухоосажденных частиц на токосъемнике показывают, что прочность связи выше, чем у электродов, отлитых из суспензии, - 148,8 кПа по сравнению с 84,3 кПа. Электрохимические испытания показывают, что новые электроды превосходят традиционные электроды, обработанные суспензией, что связано с другим распределением связующего.

Электроды коммерческих литий-ионных аккумуляторов изготавливаются путем заливки суспензии на металлический токосъемник. Суспензия содержит активный материал, проводящий углерод и связующее в растворителе. Связующее вещество, чаще всего поливинилиденфторид (ПВДФ), предварительно растворяется в растворителе, чаще всего N-метил-2-пирролидоне (NMP). Во время смешивания полимерное связующее обтекает и покрывает активный материал и углеродные частицы1,2,3,4,5,6,7,8,9. После равномерного перемешивания полученную суспензию заливают на токоприемник и необходимо высушить. Для изготовления батареи необходимо испарение растворителя для создания сухого пористого электрода. Сушка может занять разное время: некоторым электродам для полного высыхания требуется 12–24 часа при температуре 120 °C5,10. В коммерческих целях во время процесса сушки должна быть установлена ​​система восстановления NMP для извлечения испаренного NMP из-за высокой стоимости и потенциального загрязнения NMP11,12. Хотя система рекуперации делает весь процесс более экономичным, она требует больших капиталовложений. Менее дорогие и экологически чистые растворители, такие как суспензии на водной основе, могут устранить большие капитальные затраты на систему восстановления, но электроду все равно потребуется этап сушки, требующий времени и энергии9,10,13,14,15,16. Нетрадиционные методы производства также использовались для создания аккумуляторных электродов. Электростатическое напыление на основе растворителя использовалось для покрытия токосъемников электродным материалом17,18,19. Это достигается путем подачи высокого напряжения на сопло для осаждения и заземления токосъемника, в результате чего материал осаждения распыляется в сопле и втягивается в токосъемник. Электроды, изготовленные этим методом, обладают такими же характеристиками, что и электроды, отлитые в суспензии, и имеют аналогичные недостатки, заключающиеся в том, что они также требуют трудоемкого и энергозатратного процесса сушки (2 часа при 400 °C)19. Литий-ионные батареи также производятся с использованием методов окраски распылением с использованием красок на основе NMP для распыления каждого компонента электрода на желаемую поверхность20. Хотя это позволяет изготавливать батареи на различных поверхностях, все же требуется испарение растворителя.

Электроды, изготовленные из сухих частиц, нанесенных на токосъемники, представляют собой идеальный производственный процесс, тем самым устраняя растворители и недостатки, связанные с их использованием. Производство сухих электродов достигается с помощью различных методов, таких как импульсное лазерное напыление и напыление21,22,23,24,25,26,27. Импульсное лазерное осаждение достигается путем фокусировки лазера на мишень, содержащую осаждаемый материал. Как только лазер достигает цели, материал испаряется и осаждается на собирающую подложку. Хотя растворитель не используется, осажденную пленку необходимо подвергнуть очень высоким температурам (650–800 °C) для отжига пленки21,24. Нанесение методом магнетронного распыления позволяет снизить необходимую температуру отжига до 350 °C27. Хотя эти методы являются типичными для производства электродов для сухих аккумуляторов, они оба страдают от очень медленной скорости осаждения и необходимости высоких температур для отжига19.