Funciones aglutinantes de la batería y análisis de clasificación

Los electrodos de las baterías de iones de litio suelen estar compuestos por un aglutinante y materiales activos. Al mismo tiempo, los microporos del interior de los electrodos están rellenos de electrolitos. La estructura de los electrodos desempeña un papel importante en la conducción de electrones y el transporte de iones. Carpeta de pilas es un material auxiliar clave de las baterías de litio. Como parte indispensable de las baterías de iones de litio, su dosificación representa entre 5% y 8% de los materiales activos del cátodo y el ánodo. Las propiedades del aglutinante de la batería tienen una gran influencia en la producción normal y el rendimiento final de las baterías de iones de litio.

Muchos estudios han demostrado que muchas propiedades electroquímicas de las baterías de iones de litio están estrechamente relacionadas con las propiedades del aglutinante de la batería, y la aplicación de aglutinantes de batería de alto rendimiento es una importante dirección de desarrollo para optimizar el rendimiento de las baterías de iones de litio. rendimiento de la batería.

Las funciones de la batería

La gran mayoría de los materiales activos utilizan materiales en polvo, por lo que el aglutinante de baterías es un material clave esencial en la preparación de electrodos, y el aglutinante de baterías tiene tres funciones principales:

● El aglutinante de la batería une los diversos componentes de la pieza de polo, como materiales activos, agentes conductores, colectores de corriente, etc., para formar una estructura estable de la pieza de polo. Al mismo tiempo, el material activo y el agente conductor pueden contactarse mejor para formar una buena red conductora;

● El aglutinante de la batería también puede aliviar la expansión y contracción de volumen de los materiales del cátodo y el ánodo durante el proceso de intercalación y desintercalación del litio, y estabilizar la estructura interna de la pieza polar para obtener un buen rendimiento del ciclo;

● Durante el proceso de producción, el aglutinante de la batería se disuelve en un disolvente para formar una solución coloidal. Durante la dosificación, el material activo y el agente conductor pueden quedar bien suspendidos en la solución coloidal para formar una lechada bien dispersa y que no se asiente para su posterior revestimiento.

Requisitos de aplicación del aglutinante para pilas

El aglutinante de la batería no sólo tiene que unir eficazmente los materiales activos del electrodo, los agentes conductores y los colectores del electrodo, sino que también tiene la capacidad de resistir diversos factores externos porque ha estado en un entorno muy especial durante mucho tiempo. Estos factores ambientales especiales son:

● El aglutinante de la pila y el material del electrodo se empapan en el electrolito durante mucho tiempo, y el aglutinante debe tener una forma, estructura y propiedades estables en el electrolito;

● En condiciones de alto potencial (aglutinante catódico) o bajo potencial (aglutinante anódico) durante mucho tiempo, por lo tanto, el aglutinante catódico no necesita oxidarse en condiciones de alta presión, y el aglutinante anódico no necesita reducirse en condiciones de baja presión ;

● Muchos materiales activos de almacenamiento de litio seguirán experimentando cambios de volumen durante el funcionamiento de la pila, y su volumen aumentará con la inserción de iones de litio y disminuirá con la extracción de iones de litio. Por lo tanto, el aglutinante de la pila debe tener suficiente flexibilidad para garantizar que el material activo no se desprenda durante la expansión y contracción repetidas, y que no se dañe la unión entre las partículas del electrodo.

Por lo tanto, el aglutinante de la batería debe tener las siguientes características:

● Buena adherencia, alta resistencia a la tracción, buena flexibilidad, bajo módulo de Young;
● Buena estabilidad química y electroquímica, sin reacción ni deterioro durante el almacenamiento y la circulación;
● No hay hinchazón o el coeficiente de hinchazón es pequeño en el electrolito;
● Buena dispersión en el medio de suspensión, lo que favorece la unión uniforme del material activo al colector de corriente;
● Poca influencia en la conducción de electrones e iones en el electrodo;
● Respetuoso con el medio ambiente, seguro de usar y de bajo coste.

La proporción de aglutinante de la batería utilizada debe ser un valor adecuado, y la pieza de polo con demasiado poco aglutinante es propensa a la caída de polvo, pelado y desprendimiento de material activo. Y debido a que el efecto de unión no es bueno, la resistencia óhmica de la pieza de polo se hace más grande, y el rendimiento eléctrico de la batería se verá afectado.

Aunque un exceso de aglutinante garantiza el rendimiento de la unión de la pieza de polo, la inercia electroquímica del aglutinante de la pila aumentará inevitablemente la resistencia óhmica de la pieza de polo, y el aumento de la resistencia interna de la pila también afectará a su rendimiento eléctrico.

Clasificación del aglutinante para pilas

El aglutinante para pilas puede dividirse en aglutinante para pilas a base de aceite y aglutinante para pilas a base de agua, según los distintos disolventes utilizados. Por supuesto, algunos aglutinantes pueden disolverse tanto en disolventes orgánicos como desionizados, como el PAA.

Aglutinante de baterías a base de aceite

El aglutinante de batería a base de aceite se refiere al uso de materia orgánica como disolvente aglutinante, y la lechada correspondiente formada es una lechada a base de aceite. Cada componente de la lechada formada por este sistema tiene una buena dispersabilidad y no es fácil de sedimentar, y la lámina de electrodo tiene un buen rendimiento de adhesión.

● PVDF

En la actualidad, el aglutinante para pilas a base de aceite que se utiliza habitualmente en litio top 100 fabricantes de industrialización es el fluoruro de polivinilideno (PVDF), y el disolvente oleoso que se utiliza junto con él es la N-metilpirrolidona (NMP). El PVDF es un polímero de cadena, su peso molecular es generalmente superior a 300.000, y es un aislante. El mecanismo de unión consiste en formar enlaces de hidrógeno a través de los átomos de F de la cadena larga y otras partículas componentes de la pieza polar, y el efecto de los enlaces de hidrógeno hace que cada partícula componente se encadene.

En la modificación del ligante de las baterías de PVDF, la modificación de la mezcla es sencilla y eficaz. Generalmente, se mezcla otro polímero con PVDF para obtener un aglutinante de batería con mejores prestaciones. El aglutinante de batería modificado después de la mezcla generalmente muestra que la cristalización de PVDF se reduce adecuadamente, el electrodo compuesto es más compatible con el electrolito, la transmisión de iones de litio se acelera, y el rendimiento de la batería se mejora.

● Otros aglutinantes a base de aceite

Además del aglutinante para baterías PVDF de uso común, otros aglutinantes solubles en aceite también han recibido mucha atención por sus ventajas únicas. Entre los aglutinantes oleosos distintos del PVDF figuran principalmente: poliacrilonitrilo (PAN), poliimida (PI), ionómero de ácido perfluorosulfónico (Nafion).

El PAN es un polímero semicristalino, y su principal grupo funcional, el grupo nitrilo, tiene una fuerte polaridad, y generalmente conecta materiales activos y colectores de corriente mediante enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals e interacciones dipolo-dipolo permanentes. Al mismo tiempo, el PAN puede infiltrarse bien en el electrolito, y la fuerte polaridad del grupo nitrilo también puede promover el movimiento de los iones de litio en el electrodo.

El aglutinante para baterías a base de PI suele tener buenas propiedades mecánicas y resistencia al calor, y suele utilizarse en ánodos de silicio de gran volumen de expansión y materiales de cátodos estratificados de alto voltaje.

El Nafion tiene una excelente conductividad iónica y una fuerza de enlace adecuada. El grupo de ácido sulfónico del Nafion puede generar una interacción electrostática con el Li+ en el electrolito, de modo que el Li+ puede arrastrarse y migrar por la cadena principal del polímero, mejorando la conductividad iónica del electrodo.

Aglutinante de baterías a base de agua

Con el fin de superar los problemas de contaminación ambiental y el alto coste del uso de aglutinantes aceitosos para baterías, se han desarrollado gradualmente aglutinantes de baterías solubles en agua, y se han convertido en una dirección a la que los trabajadores de baterías han prestado atención en general en los últimos años. Entre los aglutinantes de baterías a base de agua más utilizados en las baterías industriales de iones de litio se encuentran la carboximetilcelulosa sódica (CMC) combinada con caucho de estireno-butadieno (SBR), aglutinantes de poliacrilato (serie LA), etc.

● CMC

La preparación de CMC se forma incrustando grupos funcionales carboximetilos en celulosa natural. Debido a la presencia de grupos funcionales carboximetilo en la CMC, ésta es soluble en agua. Cuando el CMC se utiliza como aglutinante del electrodo negativo de carbono para baterías de iones de litio, la cantidad utilizada es relativamente pequeña, generalmente entre 2% y 5%.

El electrodo fabricado con este aglutinante tiene una pequeña pérdida en la primera capacidad irreversible y una alta capacidad reversible. Algunas empresas han aplicado CMC en la fabricación de electrodos negativos de iones de litio, pero el CMC es quebradizo y tiene poca flexibilidad.

● SBR

Cuando el SBR se utiliza como aglutinante de baterías, tiene buena elasticidad y alta elongación, y se utiliza principalmente para aumentar la flexibilidad de la lámina del electrodo. En la industria, el SBR se utiliza sobre todo en combinación con CMC. Las propiedades mecánicas de las láminas de polímero con diferentes proporciones de CMC/SBR se muestran en la siguiente figura. Puede observarse que el SBR reduce eficazmente el módulo de Young de la lámina y aumenta su flexibilidad.

● Serie LA

El látex de poliacrilato tiene buena adherencia a los colectores de corriente, lo que favorece la mejora de la capacidad de los electrodos, y se ha utilizado en algunas aplicaciones en los últimos años. La primera capacidad específica reversible y el rendimiento cíclico de la pieza polar de nano-SnO2 fabricada de este modo mejoran en comparación con el uso del aglutinante para baterías PVDF.

La desventaja de este tipo de aglutinante de pilas es su elevada fragilidad en condiciones secas. Durante el proceso de despulpado, el material activo es propenso a la aglomeración y tiene una dispersión deficiente. Es posible que la estabilidad del aglutinante haga que el rendimiento del ciclo a largo plazo de la lámina de electrodo fabricada con este aglutinante para pilas sea deficiente.

● PAA

El PAA como aglutinante de pilas presenta las siguientes ventajas:

● Casi no hay hinchazón en el disolvente carbonatado del electrolito, y la estructura de la lámina del electrodo es estable durante el proceso de carga y descarga;

● El contenido de grupo carboxilo en su estructura es mayor que el de la CMC, que puede formar un fuerte enlace de hidrógeno con materiales de material activo (como materiales de ánodo de silicio) que contienen grupos hidroxilo en la superficie, y promover la formación de un revestimiento más uniforme en la superficie del electrodo que la CMC ;

● Puede formar una película relativamente densa en la lámina del electrodo, aumentando el contacto eléctrico entre el material activo y el colector de corriente;
Excelente resistencia mecánica a la tracción, que favorece el mecanizado.