Utilisations de CMC dans l'industrie des batteries

Qu'est-ce que la carboxyméthylcellulose de sodium?

La carboxyméthylcellulose de sodium (également appelée : sel de sodium de carboxyméthylcellulose, carboxyméthylcellulose, CMC, carboxyméthyle, CelluloseSodium, sel de sodium de CaboxyMéthylCellulose) est le type de fibre le plus largement utilisé au monde, avec un dosage maximal.

Cmc-na est un dérivé de cellulose avec un degré de polymérisation de 100 ~ 2000 et un poids moléculaire de 242,16.Poudre blanche fibreuse ou granuleuse.Inodore, insipide, insipide, hygroscopique, insoluble dans les solvants organiques.Cet article vise principalement à comprendre l'application de la carboxyméthylcellulose de sodium dans les détails des batteries lithium-ion.

Progrès dans l’application de la carboxyméthylcellulose de sodium CMCdans les batteries lithium-ion

À l'heure actuelle, le fluorure de polyvinylidène [pVDF, (CH : A CF :)] est largement utilisé comme liant dans la production de batteries lithium-ion..Le PVDF est non seulement coûteux, mais doit également être utilisé dans le processus d'application d'explosifs, respectueux de l'environnement de solvants organiques, tels que le N-méthyle qui répond strictement aux exigences d'alcane cétone (NMp) et d'humidité de l'air pour le processus de production, également facilement intégré lithium métallique, réaction secondaire au lithium graphite, en particulier dans des conditions de température élevée, un risque spontané d'emballement thermique.La carboxyméthylcellulose de sodium (CMC), un liant soluble dans l'eau, est utilisée comme substitut du pVDF pour les matériaux d'électrode, ce qui peut éviter l'utilisation de NMp, réduire les coûts et réduire la pollution de l'environnement.Dans le même temps, le processus de production ne nécessite pas d'humidité environnementale, mais peut également améliorer la capacité de la batterie et prolonger la durée de vie.Dans cet article, le rôle du CMC dans les performances de la batterie lithium-ion a été examiné et le mécanisme par lequel le CMC améliore les performances de la batterie a été résumé sous les aspects de stabilité thermique, de conductivité électrique et de caractéristiques électrochimiques.

1. Structure et performances du CMC

1) Structure du CMC

La CMC est généralement classée selon différents degrés de substitution (D), et la morphologie et les performances du produit sont grandement affectées par les D.LXie et al.étudié THE CMC avec Ds de différentes paires H de Na.Les résultats de l'analyse SEM ont montré que le CMC-Li-1 (Ds = 1,00) présentait une structure granulaire et que le CMC-Li-2 (Ds = 0,62) présentait une structure linéaire.Les recherches de M. E et al ont prouvé que CMC.Le caoutchouc styrène butadiène (SBR) peut inhiber l'agglomération de Li : O et stabiliser la structure de l'interface, ce qui est bénéfique pour les performances électrochimiques.

2) Performances CMC

2.1)Stabilité thermique

Zj Han et al.étudié la stabilité thermique de différents liants.La température critique du pVDF est d'environ 4 500 °C.Lorsqu'on atteint 500 ℃, une décomposition rapide se produit et la masse est réduite d'environ 70 %.Lorsque la température atteignait 600 ℃, la masse était encore réduite de 70 %.Lorsque la température atteignait 300°C, la masse de CMC-Li était réduite de 70 %.Lorsque la température atteint 400 ℃, la masse de CMC-Li est réduite de 10 %.Le CMCLi se décompose plus facilement que le pVDF à la fin de la durée de vie de la batterie.

2.2)La conductivité électrique

S.Chou et al.Les résultats des tests ont montré que la résistivité du CMCLI-1, du CMC-Li-2 et du pVDF était respectivement de 0,3154 Mn·m et 0,2634 Mn.M et 20,0365 Mn·m, indiquant que la résistivité du pVDF est supérieure à celle du CMCLi, la conductivité du CMC-LI est meilleure que celle du pVDF et la conductivité du CMCLI.1 est inférieure à celle du CMCLI.2.

2.3)Performance électrochimique

FMCourtel et al.étudié les courbes de voltammétrie cyclique d'électrodes à base de poly-sulfonate (AQ) lorsque différents liants étaient utilisés.Différents liants ont des réactions d'oxydation et de réduction différentes, de sorte que le potentiel maximal est différent.Parmi eux, le potentiel d'oxydation du CMCLi est de 2,15 V et le potentiel de réduction est de 2,55 V.Le potentiel d'oxydation et le potentiel de réduction du pVDF étaient respectivement de 2,605 V et 1,950 V.Par rapport aux courbes de voltamétrie cyclique des deux fois précédentes, la différence de potentiel maximale du pic d'oxydo-réduction lorsque le liant CMCLi était utilisé était plus petite que celle lorsque le pVDF était utilisé, ce qui indique que la réaction était moins gênée et que le liant CMCLi était plus propice à l'apparition de la réaction d'oxydo-réduction.

2. Effet d'application et mécanisme de la CMC

1) Effet d'application

PJ Suo et coll.a étudié les performances électrochimiques des matériaux composites Si/C lorsque du pVDF et du CMC étaient utilisés comme liants, et a découvert que la batterie utilisant du CMC avait pour la première fois une capacité spécifique réversible de 700 mAh/g et avait toujours 597 mAh/g après 4O cycles, ce qui était supérieur à la batterie utilisant du pVDF.Jh Lee et coll.ont étudié l'influence du Ds de la CMC sur la stabilité de la suspension de graphite et ont estimé que la qualité liquide de la suspension était déterminée par le Ds.À faible DS, la CMC possède de fortes propriétés hydrophobes et peut augmenter la réaction avec la surface du graphite lorsque l'eau est utilisée comme média.Le CMC présente également des avantages dans le maintien de la stabilité des propriétés cycliques des matériaux d'anode en alliage silicium-étain.Les électrodes NiO ont été préparées avec différentes concentrations (0,1 mouL, 0,3 mol/L et 0,5 mol/L) de liant CMC et pVDF, et chargées et déchargées à 1,5-3,5 V avec un courant de 0,1c.Au cours du premier cycle, la capacité de la cellule liante pVDF était supérieure à celle de la cellule liante CMC.Lorsque le nombre de cycles atteint 1O, la capacité de décharge du liant pVDF diminue évidemment.Après 4 cycles JD, les capacités de décharge spécifiques des liants 0,1movL, 0,3MOUL et 0,5MovLPVDF ont diminué respectivement à 250mAh/g, 157mAtv'g et 102mAh/g : Les capacités spécifiques de décharge des batteries avec 0,1 moL/L, 0,3 moL/L et 0,5 mol/liant LCMC ont été maintenus à 698 mAh/g, 555 mAh/g et 550 mAh/g, respectivement.

Le liant CMC est utilisé sur LiTI0.: et les nanoparticules de SnO2 dans la production industrielle.En utilisant CMC comme liant, LiFepO4 et Li4TI50l2 comme matériaux actifs positifs et négatifs, respectivement, et en utilisant pYR14FS1 comme électrolyte ignifuge, la batterie a été cyclée 150 fois à un courant de 0,1c à 1,5 V ~ 3,5 V à température, et le spécifique positif la capacité a été maintenue à 140 mAh/g.Parmi les divers sels métalliques de la CMC, le CMCLi introduit d'autres ions métalliques, qui peuvent inhiber la « réaction d'échange (vii) » dans l'électrolyte pendant la circulation.

2) Mécanisme d'amélioration des performances

Le liant CMC Li peut améliorer les performances électrochimiques de l’électrode de base AQ dans la batterie au lithium.M.E et al.-4 a mené une étude préliminaire sur le mécanisme et proposé un modèle de distribution du CMC-Li dans l'électrode AQ.Les bonnes performances du CMCLi proviennent du fort effet de liaison des liaisons hydrogène produites par un OH, qui contribue à la formation efficace de structures maillées.Le CMC-Li hydrophile ne se dissout pas dans l'électrolyte organique, il a donc une bonne stabilité dans la batterie et a une forte adhérence à la structure de l'électrode, ce qui confère à la batterie une bonne stabilité.Le liant Cmc-li a une bonne conductivité Li car il existe un grand nombre de groupes fonctionnels sur la chaîne moléculaire du CMC-Li.Pendant la décharge, il existe deux sources de substances efficaces agissant avec le Li : (1) le Li dans l’électrolyte ;(2) Li sur la chaîne moléculaire du CMC-Li à proximité du centre effectif de la substance active.

La réaction du groupe hydroxyle et du groupe hydroxyle dans le liant carboxyméthyle CMC-Li formera une liaison covalente ;Sous l'action de la force du champ électrique, U peut être transféré sur la chaîne moléculaire ou sur la chaîne moléculaire adjacente, c'est-à-dire que la structure de la chaîne moléculaire ne sera pas endommagée ;Finalement, Lj se liera à la particule AQ.Cela indique que l’application de CMCLi améliore non seulement l’efficacité du transfert de Li, mais améliore également le taux d’utilisation de AQ.Plus la teneur en cH : COOLi et 10Li dans la chaîne moléculaire est élevée, plus le transfert de Li est facile.M. Armand et al.croyaient que les composés organiques de -COOH ou OH pouvaient réagir avec 1 Li respectivement et produire 1 C00Li ou 1 0Li à faible potentiel.Afin d'explorer davantage le mécanisme du liant CMCLi dans l'électrode, le CMC-Li-1 a été utilisé comme matériau actif et des conclusions similaires ont été obtenues.Li réagit avec un cH, COOH et un 0H de CMC Li et génère cH : COOLi et un 0" respectivement, comme le montrent les équations (1) et (2)

À mesure que le nombre de cH, COOLi et OLi augmente, le DS de CMC-Li augmente.Cela montre que la couche organique composée principalement de liant de surface de particules AQ devient plus stable et plus facile à transférer le Li.Le CMCLi est un polymère conducteur qui permet au Li d'atteindre la surface des particules AQ.Les liants CMCLi ont une bonne conductivité électronique et ionique, ce qui se traduit par de bonnes performances électrochimiques et une longue durée de vie des électrodes CMCLi.JS Bridel et al.a préparé l'anode d'une batterie lithium-ion en utilisant des matériaux composites silicium/carbone/polymère avec différents liants pour étudier l'influence de l'interaction entre le silicium et le polymère sur les performances globales de la batterie, et a constaté que le CMC avait les meilleures performances lorsqu'il était utilisé comme liant.Il existe une forte liaison hydrogène entre le silicium et le CMC, qui a une capacité d'auto-guérison et peut ajuster la contrainte croissante du matériau pendant le processus de cyclage pour maintenir la stabilité de la structure du matériau.Avec le CMC comme liant, la capacité de l'anode en silicium peut être maintenue au-dessus de 1 000 mAh/g en au moins 100 cycles, et l'efficacité coulombienne est proche de 99,9 %.

3, conclusion

En tant que liant, le matériau CMC peut être utilisé dans différents types de matériaux d'électrode tels que le graphite naturel, les microsphères de carbone mésophase (MCMB), le titanate de lithium, le matériau d'anode à base de silicium à base d'étain et le matériau d'anode au phosphate de fer et de lithium, ce qui peut améliorer la batterie. capacité, stabilité du cycle et durée de vie par rapport à pYDF.Il est bénéfique pour la stabilité thermique, la conductivité électrique et les propriétés électrochimiques des matériaux CMC.Il existe deux mécanismes principaux permettant au CMC d’améliorer les performances des batteries lithium-ion :

(1) Les performances de liaison stables du CMC créent une condition préalable nécessaire pour obtenir des performances stables de la batterie ;

(2) La CMC a une bonne conductivité électronique et ionique et peut favoriser le transfert de Li