Fonctions du liant de la batterie et analyse de la classification

Les électrodes des batteries lithium-ion sont généralement composées d'un liant et de matériaux actifs. En même temps, les micropores à l'intérieur des électrodes sont remplis d'électrolytes. La structure des électrodes joue un rôle important dans la conduction des électrons et le transport des ions. Classeur de piles est un matériau auxiliaire essentiel des batteries au lithium. En tant qu'élément indispensable des batteries lithium-ion, son dosage représente 5% à 8% des matériaux actifs de la cathode et de l'anode. Les propriétés du liant de batterie ont une grande influence sur la production normale et les performances finales des batteries lithium-ion.

De nombreuses études ont montré que de nombreuses propriétés électrochimiques des batteries lithium-ion sont étroitement liées aux propriétés du liant de la batterie, et l'application d'un liant de batterie haute performance est un axe de développement important pour l'optimisation des batteries lithium-ion. performance de la batterie.

Les fonctions du classeur de piles

La grande majorité des matériaux actifs utilisent des poudres, de sorte que le liant pour batteries est un matériau clé essentiel dans la préparation des électrodes, et le liant pour batteries a trois fonctions principales :

● Le liant de batterie lie les différents composants de la pièce polaire, tels que les matériaux actifs, les agents conducteurs, les collecteurs de courant, etc. pour former une structure de pièce polaire stable. En même temps, la matière active et l'agent conducteur peuvent être mieux mis en contact pour former un bon réseau conducteur ;

● Le liant de la batterie peut également soulager l'expansion et la contraction du volume des matériaux de la cathode et de l'anode pendant le processus d'intercalation et de désintercalation du lithium, et stabiliser la structure interne de la pièce polaire afin d'obtenir de bonnes performances de cycle ;

● Au cours du processus de production, le liant de la batterie est dissous dans un solvant pour former une solution colloïdale. Lors du dosage, la matière active et l'agent conducteur peuvent être bien suspendus dans la solution colloïdale pour former une boue bien dispersée et non décantée pour le revêtement ultérieur.

Exigences en matière d'application du liant pour batteries

Le liant de la batterie doit non seulement lier efficacement les matériaux actifs de l'électrode, les agents conducteurs et les collecteurs de l'électrode, mais il doit également être capable de résister à divers facteurs externes parce qu'il a été placé dans un environnement très spécial pendant une longue période. Ces facteurs environnementaux particuliers sont les suivants

● Le liant de la batterie et le matériau de l'électrode sont immergés dans l'électrolyte pendant une longue période, et le liant doit avoir une forme, une structure et des propriétés stables dans l'électrolyte ;

● Dans des conditions de haut potentiel (liant cathodique) ou de bas potentiel (liant anodique) pendant une longue période, le liant cathodique ne doit donc pas être oxydé dans des conditions de haute pression, et le liant anodique ne doit pas être réduit dans des conditions de basse pression ;

● De nombreux matériaux actifs de stockage du lithium continueront à subir des changements de volume pendant le fonctionnement de la batterie, et leur volume augmentera avec l'insertion d'ions lithium et diminuera avec l'extraction d'ions lithium. Par conséquent, le liant de la batterie doit être suffisamment souple pour que la matière active ne se détache pas lors des dilatations et contractions répétées et que la liaison entre les particules de l'électrode ne soit pas endommagée.

Par conséquent, le liant pour batterie doit généralement présenter les caractéristiques suivantes :

● Bonne capacité de collage, résistance élevée à la traction, bonne flexibilité, faible module d'Young ;
● Bonne stabilité chimique et électrochimique, pas de réaction ni de détérioration pendant le stockage et la circulation ;
● Pas de gonflement ou faible coefficient de gonflement dans l'électrolyte ;
● Bonne dispersion dans le milieu boueux, ce qui permet de lier uniformément la matière active au collecteur de courant ;
● Peu d'influence sur la conduction des électrons et des ions dans l'électrode ;
● Respectueux de l'environnement, sûrs à utiliser et peu coûteux.

Le rapport du liant de batterie utilisé doit être une valeur appropriée, et la pièce polaire avec trop peu de liant est sujette à la chute de la poudre, au décollement et à la chute de la matière active. Et comme l'effet de collage n'est pas bon, la résistance ohmique de la pièce polaire devient plus importante et les performances électriques de la batterie sont affectées.

Bien qu'une trop grande quantité de liant garantisse la performance de collage de la pièce polaire, l'inertie électrochimique du liant de la batterie augmentera inévitablement la résistance ohmique de la pièce polaire, et l'augmentation de la résistance interne de la batterie affectera également sa performance électrique.

Classification des liants de batterie

Le liant de batterie peut être divisé en liant de batterie à base d'huile et en liant de batterie à base d'eau en fonction des différents solvants utilisés. Bien entendu, certains liants peuvent être dissous à la fois dans des solvants organiques et dans des solvants déionisés, comme l'APA.

Liant pour batteries à base d'huile

Le liant de batterie à base d'huile fait référence à l'utilisation de matières organiques comme solvant en tant que liant, et la boue correspondante formée est une boue à base d'huile. Chaque composant de la suspension formée par ce système a une bonne dispersibilité et n'est pas facile à sédimenter, et la feuille d'électrode a de bonnes performances d'adhérence.

● PVDF

À l'heure actuelle, le liant pour batteries à base d'huile couramment utilisé dans les pays de l'Union européenne est un liant à base d'huile. Top 100 du lithium Le polyfluorure de vinylidène (PVDF) est le produit le plus utilisé par les fabricants de produits industriels, et le solvant huileux qui lui est associé est la N-méthylpyrrolidone (NMP). Le PVDF est un polymère à chaîne, son poids moléculaire est généralement supérieur à 300 000 et c'est un isolant. Le mécanisme de liaison consiste à former des liaisons hydrogène par l'intermédiaire des atomes F de la longue chaîne et des autres particules composant la pièce polaire, et l'effet des liaisons hydrogène fait que chaque particule constitutive s'assemble.

Dans la modification du liant de batterie PVDF, la modification du mélange est simple et efficace. En général, un autre polymère est mélangé au PVDF pour obtenir un liant de batterie plus performant. Le liant de batterie modifié après mélange montre généralement que la cristallisation du PVDF est réduite de manière appropriée, que l'électrode composite est plus compatible avec l'électrolyte, que la transmission des ions lithium est accélérée et que les performances de la batterie sont améliorées.

● Autres liants à base d'huile

Outre le liant PVDF couramment utilisé pour les batteries, d'autres liants solubles dans l'huile ont également fait l'objet d'une grande attention en raison de leurs avantages uniques. Les liants huileux autres que le PVDF comprennent principalement : le polyacrylonitrile (PAN), le polyimide (PI), l'ionomère d'acide perfluorosulfonique (Nafion).

Le PAN est un polymère semi-cristallin et son principal groupe fonctionnel, le groupe nitrile, possède une forte polarité et relie généralement les matériaux actifs et les collecteurs de courant par des liaisons hydrogène, des forces de van der Waals et des interactions dipôle-dipôle permanentes. En même temps, le PAN peut bien s'infiltrer dans l'électrolyte, et la forte polarité du groupe nitrile peut également promouvoir le mouvement des ions lithium dans l'électrode.

Les liants pour batteries à base de PI présentent généralement de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la chaleur. Ils sont souvent utilisés dans les anodes en silicium à expansion de grand volume et dans les matériaux pour cathodes en couches à haute tension.

Le Nafion possède une excellente conductivité ionique et une force de liaison appropriée. Le groupe acide sulfonique sur le Nafion peut générer une interaction électrostatique avec le Li+ dans l'électrolyte, de sorte que le Li+ peut ramper et migrer sur la chaîne principale du polymère, améliorant ainsi la conductivité ionique de l'électrode.

Liant pour batterie à base d'eau

Afin de surmonter les problèmes de pollution de l'environnement et le coût élevé de l'utilisation des liants huileux pour batteries, des liants hydrosolubles pour batteries ont été progressivement mis au point et sont devenus une orientation à laquelle les travailleurs du secteur des batteries ont généralement prêté attention au cours des dernières années. Les liants de batterie à base d'eau largement utilisés dans les batteries lithium-ion industrielles comprennent la carboxyméthylcellulose sodique (CMC) combinée au caoutchouc styrène-butadiène (SBR), aux liants polyacrylates (série LA), etc.

● CMC

La préparation de la CMC se fait en incorporant des groupes fonctionnels carboxyméthyles dans la cellulose naturelle. En raison de la présence de groupes fonctionnels carboxyméthyles dans la CMC, celle-ci est soluble dans l'eau. Lorsque la CMC est utilisée comme liant d'électrode négative au carbone pour les batteries lithium-ion, la quantité utilisée est relativement faible, généralement comprise entre 2% et 5%.

L'électrode fabriquée avec ce liant présente une faible perte de la première capacité irréversible et une capacité réversible élevée. Certaines entreprises ont utilisé la CMC dans la fabrication d'électrodes négatives lithium-ion, mais la CMC est cassante et peu flexible.

● SBR

Lorsque le SBR est utilisé comme liant de batterie, il présente une bonne élasticité et un allongement élevé, et est principalement utilisé pour augmenter la flexibilité de la feuille d'électrode. Dans l'industrie, le SBR est principalement utilisé en combinaison avec le CMC. Les propriétés mécaniques des films polymères avec différents rapports CMC/SBR sont illustrées dans la figure ci-dessous. On constate que le SBR réduit efficacement le module de Young du film et augmente sa flexibilité.

● Série LA

Le latex de polyacrylate a une bonne adhérence aux collecteurs de courant, ce qui permet d'améliorer la capacité des électrodes, et a été utilisé dans certaines applications ces dernières années. La première capacité spécifique réversible et la performance du cycle de la pièce polaire en nano-SnO2 fabriquée de cette manière sont améliorées par rapport à l'utilisation d'un liant de batterie en PVDF.

L'inconvénient de ce type de liant pour piles est sa grande fragilité dans des conditions sèches. Au cours du processus de dépulpage, la matière active a tendance à s'agglomérer et se disperse mal. Il se peut que la stabilité du liant rende médiocre la performance du cycle à long terme de la feuille d'électrode fabriquée à partir de ce liant de batterie.

● AAP

Le PAA comme liant de batterie présente les avantages suivants :

● Il n'y a pratiquement pas de gonflement dans le solvant carbonate de l'électrolyte, et la structure de la feuille d'électrode est stable pendant le processus de charge et de décharge ;

● La teneur en groupe carboxyle de sa structure est plus élevée que celle de la CMC, ce qui peut former une liaison hydrogène forte avec les matériaux actifs (tels que les matériaux d'anode en silicium) contenant des groupes hydroxyles à la surface, et favoriser la formation d'un revêtement plus uniforme à la surface de l'électrode que la CMC ;

● Il peut former un film relativement dense dans la feuille d'électrode, augmentant ainsi le contact électrique entre le matériau actif et le collecteur de courant ;
Excellente résistance mécanique à la traction, propice à l'usinage.