استفاده از CMC در صنعت باتری

سدیم کربوکسی متیل سلولز چیست؟?

سدیم کربوکسی متیل سلولز، (همچنین نامیده می شود: نمک سدیم کربوکسی متیل سلولز، کربوکسی متیل سلولز، CMC، کربوکسی متیل، سلولز سدیم، نمک سدیم کیبوکسی متیل سلولز) پرمصرف ترین انواع فیبر در جهان است، حداکثر دوز.

Cmc-na یک مشتق سلولزی با درجه پلیمریزاسیون 100 تا 2000 و وزن مولکولی 242.16 است.پودر فیبری یا دانه ای سفید.بی بو، بی مزه، بی مزه، رطوبت سنجی، نامحلول در حلال های آلی.این مقاله عمدتا برای درک کاربرد سدیم کربوکسی متیل سلولز در جزئیات باتری لیتیوم یون است.

پیشرفت در کاربرد سدیم کربوکسی متیل سلولز CMCدر باتری های لیتیوم یونی

در حال حاضر، پلی وینیلیدین فلوراید [pVDF, (CH: A CF:)] به طور گسترده ای به عنوان چسب در تولید باتری های لیتیوم یون استفاده می شود..PVDF نه تنها گران است، بلکه نیاز به استفاده در فرآیند استفاده از مواد منفجره، دوستدار محیط زیست حلال های آلی، مانند N متیل است که آلکان کتون (NMp) و رطوبت هوا برای فرآیند تولید به شدت مورد نیاز است، همچنین به راحتی با جاسازی شده است. لیتیوم فلزی، لیتیوم گرافیت واکنش ثانویه، به ویژه در شرایط دمای بالا، خطر خود به خود فرار حرارتی.سدیم کربوکسی متیل سلولز (CMC)، یک اتصال دهنده محلول در آب، به عنوان جایگزین pVDF برای مواد الکترود استفاده می شود که می تواند از استفاده از NMp جلوگیری کند، هزینه ها را کاهش دهد و آلودگی محیط زیست را کاهش دهد.در عین حال، فرآیند تولید به رطوبت محیطی نیاز ندارد، اما همچنین می تواند ظرفیت باتری را بهبود بخشد، عمر چرخه را طولانی تر کند.در این مقاله، نقش CMC در عملکرد باتری لیتیوم یونی بررسی شد و مکانیسم بهبود عملکرد باتری CMC از جنبه‌های پایداری حرارتی، هدایت الکتریکی و ویژگی‌های الکتروشیمیایی خلاصه شد.

1. ساختار و عملکرد CMC

1) ساختار CMC

CMC به طور کلی با درجه های مختلف جایگزینی (Ds) طبقه بندی می شود، و مورفولوژی و عملکرد محصول تا حد زیادی تحت تأثیر Ds قرار می گیرد.LXie و همکارانCMC را با Dهای جفت H مختلف Na مطالعه کرد.نتایج تجزیه و تحلیل SEM نشان داد که CMC-Li-1 (Ds = 1.00) ساختار دانه ای و CMC-Li-2 (Ds = 0.62) ساختار خطی ارائه می دهد.تحقیقات M. E و همکاران ثابت کرد که CMC.لاستیک استایرن بوتادین (SBR) می تواند تجمع Li: O را مهار کند و ساختار رابط را تثبیت کند، که برای عملکرد الکتروشیمیایی مفید است.

2) عملکرد CMC

2.1)پایداری حرارتی

زجی هان و همکارانپایداری حرارتی بایندرهای مختلف را مطالعه کرد.دمای بحرانی pVDF حدود 4500 درجه سانتیگراد است.با رسیدن به دمای 500 درجه سانتیگراد، تجزیه سریع اتفاق می افتد و جرم حدود 70٪ کاهش می یابد.هنگامی که دما به 600 درجه سانتیگراد رسید، جرم تا 70٪ کاهش یافت.هنگامی که دما به 300 درجه سانتیگراد رسید، جرم CMC-Li 70٪ کاهش یافت.هنگامی که دما به 400 درجه سانتیگراد رسید، جرم CMC-Li 10٪ کاهش یافت.CMCLi در پایان عمر باتری راحت تر از pVDF تجزیه می شود.

2.2)هدایت الکتریکی

اس چو و همکاراننتایج آزمایش نشان داد که مقاومت CMCLI-1، CMC-Li-2 و pVDF به ترتیب 0.3154 Mn·m و 0.2634 Mn بود.M و 20.0365 Mn·m، نشان می دهد که مقاومت pVDF بالاتر از CMCLi است، رسانایی CMC-LI بهتر از pVDF است، و رسانایی CMCLI.1 کمتر از CMCLI.2 است.

2.3)عملکرد الکتروشیمیایی

FM Courtel و همکارانمنحنی‌های ولتامتری چرخه‌ای الکترودهای مبتنی بر پلی سولفونات (AQ) را هنگامی که از کلاسورهای مختلف استفاده می‌شد، مطالعه کرد.چسباننده های مختلف واکنش های اکسیداسیون و کاهش متفاوتی دارند، بنابراین پتانسیل پیک متفاوت است.در میان آنها پتانسیل اکسیداسیون CMCLi 2.15 ولت و پتانسیل کاهش 2.55 ولت است.پتانسیل اکسیداسیون و پتانسیل کاهش pVDF به ترتیب 2.605 V و 1.950 V بود.در مقایسه با منحنی‌های ولتامتری چرخه‌ای دو بار قبلی، اختلاف پتانسیل پیک پیک اکسیداسیون-کاهش هنگام استفاده از بایندر CMCLi کوچکتر از زمانی بود که از pVDF استفاده شد، که نشان می‌دهد که واکنش کمتر مانع شده است و بایندر CMCLi مساعدتر است. وقوع واکنش اکسیداسیون - کاهش.

2. اثر کاربرد و مکانیسم CMC

1) اثر کاربردی

پی جی سو و همکارانعملکرد الکتروشیمیایی مواد کامپوزیت Si/C را زمانی که از pVDF و CMC به عنوان چسب استفاده می‌شد، مطالعه کرد و دریافت که باتری با استفاده از CMC برای اولین بار ظرفیت ویژه برگشت‌پذیر 700 میلی‌آمپر ساعت بر گرم داشت و پس از چرخه‌های 4O همچنان 597 میلی‌آمپر ساعت بر گرم داشت. نسبت به باتری با استفاده از pVDF برتری داشت.جی لی و همکارانتأثیر Ds از CMC بر پایداری تعلیق گرافیت را مطالعه کرد و معتقد بود که کیفیت مایع سوسپانسیون توسط Ds تعیین می شود.در DS پایین، CMC دارای خواص آبگریز قوی است و می تواند واکنش با سطح گرافیت را هنگامی که آب به عنوان رسانه استفاده می شود افزایش دهد.CMC همچنین دارای مزایایی در حفظ پایداری خواص حلقوی مواد آند آلیاژ سیلیکون - قلع است.الکترودهای NiO با غلظت‌های مختلف (0.1mouL، 0.3mol/L و 0.5mol/L) بایندر CMC و pVDF آماده شدند و در ولتاژ 1.5-3.5V با جریان 0.1c شارژ و تخلیه شدند.در طول چرخه اول، ظرفیت سلول بایندر pVDF بیشتر از سلول بایندر CMC بود.هنگامی که تعداد چرخه ها به lO می رسد، ظرفیت تخلیه بایندر pVDF به وضوح کاهش می یابد.پس از چرخه‌های 4JD، ظرفیت تخلیه ویژه 0.1movL، 0.3MOUL و 0.5MovLPVDF بایندرها به ترتیب به 250mAh/g، 157mAtv'g و 102mAh/g کاهش یافت: ظرفیت‌های تخلیه ویژه باتری‌های mo.L/L3,0. و بایندر 0.5 mol/LCMC به ترتیب در 698mAh/g، 555mAh/g و 550mAh/g نگهداری شدند.

بایندر CMC در LiTI0 استفاده می شود.: و نانو ذرات SnO2 در تولید صنعتی.با استفاده از CMC به عنوان بایندر، LiFepO4 و Li4TI50l2 به ترتیب به عنوان مواد فعال مثبت و منفی، و با استفاده از pYR14FS1 به عنوان الکترولیت بازدارنده شعله، باتری 150 بار در جریان 0.1c در 1.5 ~ 3.5 ولت در دما چرخه شد. ظرفیت خازنی در 140mAh/g حفظ شد.در میان نمک های فلزی مختلف در CMC، CMCLi یون های فلزی دیگری را معرفی می کند که می توانند "واکنش تبادل (vii)" را در الکترولیت در طول گردش مهار کنند.

2) مکانیسم بهبود عملکرد

بایندر CMC Li می تواند عملکرد الکتروشیمیایی الکترود پایه AQ در باتری لیتیومی را بهبود بخشد.M. E و همکاران-4 یک مطالعه مقدماتی بر روی مکانیسم انجام داد و مدلی از توزیع CMC-Li در الکترود AQ را پیشنهاد کرد.عملکرد خوب CMCLi ناشی از اثر پیوند قوی پیوندهای هیدروژنی تولید شده توسط یک OH است که به تشکیل کارآمد ساختارهای مش کمک می کند.CMC-Li هیدروفیل در الکترولیت آلی حل نمی شود، بنابراین پایداری خوبی در باتری دارد و چسبندگی قوی به ساختار الکترود دارد که باعث می شود باتری پایداری خوبی داشته باشد.بایندر Cmc-li رسانایی لیتیوم خوبی دارد زیرا تعداد زیادی گروه عاملی در زنجیره مولکولی CMC-Li وجود دارد.در طول تخلیه، دو منبع از مواد موثر با لی وجود دارد: (1) لی در الکترولیت.(2) لی در زنجیره مولکولی CMC-Li نزدیک مرکز مؤثر ماده فعال.

واکنش گروه هیدروکسیل و گروه هیدروکسیل در بایندر کربوکسی متیل CMC-Li باعث تشکیل پیوند کووالانسی می شود.تحت عمل نیروی میدان الکتریکی، U می تواند بر روی زنجیره مولکولی یا زنجیره مولکولی مجاور منتقل شود، یعنی ساختار زنجیره مولکولی آسیب نمی بیند.در نهایت، Lj به ذره AQ متصل می شود.این نشان می دهد که استفاده از CMCLi نه تنها بازده انتقال لی را بهبود می بخشد، بلکه نرخ استفاده از AQ را نیز بهبود می بخشد.هر چه محتوای cH:COOLi و 10Li در زنجیره مولکولی بیشتر باشد، انتقال لی آسان‌تر است.M. Arrmand و همکاران.معتقد بودند که ترکیبات آلی -COOH یا OH می توانند به ترتیب با 1 Li واکنش دهند و 1 C00Li یا 1 0Li در پتانسیل پایین تولید کنند.به منظور بررسی بیشتر مکانیسم بایندر CMCLi در الکترود، از CMC-Li-1 به عنوان ماده فعال استفاده شد و نتایج مشابهی به دست آمد.همانطور که در معادلات (1) و (2) نشان داده شده است، لی با یک cH، COOH و یک 0H از CMC Li واکنش می دهد و به ترتیب cH: COOLi و یک 0 اینچ تولید می کند.

با افزایش تعداد cH، COOLi، و OLi، DS CMC-Li افزایش می یابد.این نشان می دهد که لایه آلی که عمدتاً از چسب سطحی ذرات AQ تشکیل شده است، پایدارتر می شود و انتقال Li آسان تر می شود.CMCLi یک پلیمر رسانا است که مسیر انتقال لی برای رسیدن به سطح ذرات AQ را فراهم می کند.بایندرهای CMCLi رسانایی الکترونیکی و یونی خوبی دارند که منجر به عملکرد الکتروشیمیایی خوب و عمر چرخه طولانی الکترودهای CMCLi می شود.جی اس بریدل و همکارانآند باتری لیتیوم یونی را با استفاده از مواد کامپوزیتی سیلیکون/کربن/پلیمر با بایندرهای مختلف برای مطالعه تاثیر برهمکنش بین سیلیکون و پلیمر بر عملکرد کلی باتری تهیه کرد و دریافت که CMC بهترین عملکرد را در هنگام استفاده به عنوان چسب‌کننده دارد.یک پیوند هیدروژنی قوی بین سیلیکون و CMC وجود دارد که توانایی خود ترمیم شوندگی دارد و می تواند تنش فزاینده مواد را در طول فرآیند چرخه تنظیم کند تا پایداری ساختار مواد را حفظ کند.با CMC به عنوان بایندر، ظرفیت آند سیلیکون را می توان در حداقل 100 سیکل بالای 1000 میلی آمپر ساعت در گرم نگه داشت و راندمان کولن نزدیک به 99.9٪ است.

3، نتیجه گیری

به عنوان چسب، مواد CMC را می توان در انواع مختلف مواد الکترود مانند گرافیت طبیعی، میکروسفرهای کربن مزوفاز (MCMB)، لیتیوم تیتانات، مواد آند مبتنی بر قلع و مواد آند فسفات آهن لیتیوم استفاده کرد که می تواند باتری را بهبود بخشد. ظرفیت، ثبات چرخه و عمر چرخه در مقایسه با pYDF.برای پایداری حرارتی، هدایت الکتریکی و خواص الکتروشیمیایی مواد CMC مفید است.دو مکانیسم اصلی برای CMC برای بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم یونی وجود دارد:

(1) عملکرد پیوند پایدار CMC یک پیش نیاز ضروری برای به دست آوردن عملکرد باتری پایدار ایجاد می کند.

(2) CMC دارای رسانایی الکترون و یون خوبی است و می تواند انتقال لی را افزایش دهد