Einfluss der NMP-Konzentration auf die Leistung der LFP-Batterie

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4)Material der KathodenelektrodeNormalerweise wird eine Aufschlämmung auf Ölbasis verwendetN-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylsulfoxid und Dimethylformamid als Lösungsmittel, die Probleme wie schwierige Lösungsmittelrückgewinnung, große Einsatzmengen und Umweltverschmutzung mit sich bringen. Die Aufschlämmung des positiven Elektrodenmaterials LiFePO4 auf Wasserbasis verwendet entionisiertes Wasser als Lösungsmittel, was umweltfreundlich und kostengünstig ist. Das positive Elektrodenblatt mit Bindemittel auf Wasserbasis weist jedoch Probleme wie schlechte Flexibilität, schwache Haftung der aktiven Materialien und schlechte elektrochemische Leistung auf. In dieser Arbeit wurden positive Elektrodenblätter mit unterschiedlichen NMP-Zusatzmengen hergestellt, um die Wirkung von NMP auf die Leistung der damit hergestellten positiven Elektrodenblätter zu untersuchenwasserbasiertes Bindemittel LA132.

Experiment

Das wässrige Bindemittel LA132, supraleitender Ruß, entionisiertes Wasser und LiFePO4 wurden in einem Massenverhältnis von 2,5:2,5:50:40 zu einer Aufschlämmung verarbeitet. Vier Portionen Aufschlämmung mit 0, 1 %, 2 % und 3 % NMP, nummeriert mit A, B, C und D, wurden zugegeben. Kalandrieren der positiven Elektrode. Durch 24-stündiges Trocknen der positiven Elektrode bei 100 Grad im Vakuum zur Entfernung von Wasser und NMP wurde eine positive Elektrode mit einem Aktivmaterialgehalt von 95 % hergestellt. Schneiden Sie es in Scheiben mit 20 mm Durchmesser. Montieren Sie die CR2016-Knopfzelle mit der negativen Elektrode aus Lithiummetallblech, 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (Volumenverhältnis 1:1:1) Elektrolyt, mikroporösem Polypropylen-Separator, in einer trockenen, mit Argongas gefüllten Handschuhbox.

Biegen Sie zunächst die Elektrodenblätter A, B, C und D um 180 Grad und testen Sie dann die Haftung der Elektrodenblätter auf einer Zugprüfmaschine. Führen Sie dann einen Härtetest an den Elektrodenblechen mit einem Härteprüfer durch (die Durchmesser der Schaftstäbe betragen jeweils 1, 2, 3, 4, 6, 8 und 10 mm) und beobachten Sie, ob Risse auf der Oberfläche vorhanden sind der Elektrodenbleche nach dem Wickeln. Die Stromdichte des Batterielade- und -entladetests beträgt 0,1 C und die Testspannung beträgt 2,5 bis 3,5 V.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 ist ein Testdiagramm der Haftung der LiFePO4-Elektrode bei 180-Grad-Biegung. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass die Haftung der Elektrode durch die Zugabe von NMP deutlich verbessert wird und die Verbesserung der Haftung der Elektrode proportional zur Menge des zugesetzten NMP ist. Adhäsion ist eine Art Van-der-Waals-Kraft, die von der Wechselwirkung zwischen Molekülen abhängt.

Während des Produktionsprozesses von LiFePO4-Elektrodenblättern kommen die Elektrodenblätter zwangsläufig mit Luftsauerstoff in Kontakt. Während des Erhitzungsprozesses reagieren die erhitzten Elektrodenbleche mit Sauerstoff unter Bildung saurer Gruppen. Den sauren Gruppen fehlen Elektronen und sie bilden schwache intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen mit (-CN) im wässrigen Bindemittel. Dadurch wird die Thixotropie der Aufschlämmung verändert, die Fließfähigkeit verringert und eine ungleichmäßige Beschichtung der Aufschlämmung verursacht. Nach der Zugabe von NMP werden die sauren Gruppen auf den Elektrodenfolien neutralisiert. Es kann den Elektronenverlust auf der Oberfläche der Elektrodenbleche verringern, die Thixotropie der Aufschlämmung verhindern und die Haftung zwischen dem Bindemittel und dem Stromkollektor erhöhen. Die positive Elektrodenaufschlämmung wird gleichmäßig verteilt und die Fließfähigkeit wird verbessert, wodurch die Ausnutzungsrate der Aufschlämmung und der Elektrodenfolien verbessert wird. Daher kann die Zugabe des elektronenreichen Lösungsmittels NMP die Leistung der Batterie verbessern.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Flexibilitätstests von vier Arten von Elektrodenfolien. Betrachtet man Abbildung 1, kann man feststellen, dass Oberflächenrisse auftraten, als die positive Elektrode A mit der Wickelnadel mit 6 mm Durchmesser getestet wurde, und als die Wickelnadel mit 1 mm Durchmesser getestet wurde, wiesen die Elektroden B bis D keine Oberflächenrisse auf. Es ist ersichtlich, dass die rein wasserbasierte positive Elektrodenfolie die geringste Flexibilität aufweist und bei der Herstellung zu Rissen, Brüchen und Rissen neigt. Durch die Zugabe von NMP kann die Flexibilität des Elektrodenblatts verbessert und die Ausnutzungsrate des Elektrodenblatts erhöht werden. Die Latexpartikel im LA132-Bindemittel sind starke polare Polymere mit starken intermolekularen Kräften und schlechter Verdrehfähigkeit, und die Elektrodenfolie kann leicht brechen. Durch die Zugabe von NMP erhöht sich der Durchmesser der Latexpartikel im LA132-Bindemittel, die Verdrillungsfähigkeit nimmt zu, die Rotationsfähigkeit der Molekülkette nimmt ab und die Flexibilität der Elektrodenfolie wird verbessert.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des elektrochemischen Leistungstests der Elektrodenfolie. Die Werte der spezifischen Kapazität der ersten Entladung, der Lade- und Entladeeffizienz, der mittleren Entladungsspannung und des Konstantstromverhältnisses sind grundsätzlich gleich. Dies zeigt, dass die Zugabe von NMP keinen Einfluss auf die Entladekapazität und die Lade- und Entladeeigenschaften des Positivelektrodenaktivmaterials der Positivelektrodenfolie hat.

Die Abbildungen 2 bis 4 zeigen die Beziehung zwischen dem Konstantstromverhältnis, der spezifischen Entladungskapazität, der mittleren Entladungsspannung und der NMP-Zugabemenge der vier Elektrodenblätter.

Aus Abbildung 2 geht hervor, dass unter den gleichen Testbedingungen die Lade-Konstantstromverhältnisse der vier Batterien alle über 98,2 % liegen. Aus den Abbildungen 3 und 4 geht hervor, dass die spezifische Entladungskapazität und die mittlere Spannung derselben Elektrodenschicht mit zunehmender Entladungsrate weiter abnehmen.

Die Entladekapazität und die mittlere Spannung der Elektroden A und B sind bei unterschiedlichen Entladeraten grundsätzlich gleich. Mit zunehmender Entladerate nehmen die mittlere Spannung und die Entladekapazität der Elektroden C und D allmählich zu. Es ist ersichtlich, dass die Entladeleistung der Batterie nicht beeinträchtigt wird, wenn NMP in einer Konzentration von nicht mehr als 1 % hinzugefügt wird. Wenn NMP in einer Konzentration von mehr als 1 % hinzugefügt wird, beeinflusst NMP die Entladekapazität und die mittlere Spannung der positiven Elektrode.

Abbildung 5 zeigt die Zyklenleistungskurven der vier Batterietypen. Anhand von Abbildung 5 kann festgestellt werden, dass zu Beginn des Lade- und Entladezyklus die Kapazitätsabfalltrends der Elektrodenblätter A und Elektrodenblätter B ähnlich sind und die Kapazitätsabfalltrends der Elektrodenblätter C und Elektrodenblätter D ähnlich sind , während die Abklingraten der Elektrodenblätter C und D größer sind. Im weiteren Verlauf des Zyklus beschleunigt sich der Zerfall der Elektrodenblätter A, C und D, und die Zerfallsrate des Elektrodenblatts B bleibt im Wesentlichen unverändert. Die endgültige Batteriekapazitätserhaltungsrate beträgt Elektrodenblatt D

Abschluss

Die Haftung des positiven Elektrodenblatts kann durch Zugabe von NMP verbessert werden, und die Haftung nimmt mit zunehmender Menge an zugesetztem NMP allmählich zu. Nach der Zugabe von NMP werden die sauren Gruppen an der Elektrode neutralisiert, was den Elektronenverlust auf der Elektrodenoberfläche verringern, die Thixotropie der Aufschlämmung verhindern, die Haftung des Bindemittels und des Stromkollektors erhöhen und die positive Elektrodenaufschlämmung gleichmäßig verteilen kann und verbessern die Fließfähigkeit, wodurch die Ausnutzung der Aufschlämmung und der Elektrode verbessert wird. Wenn die zugesetzte NMP-Menge weniger als 1 % beträgt, hat dies keinen Einfluss auf die Entladeleistung der Batterie und kann die Zykluseigenschaften der Batterie verbessern. Wenn jedoch die zugesetzte NMP-Menge mehr als 1 % beträgt, beeinträchtigt NMP die Entladekapazität und die mittlere Spannung der positiven Elektrode und verringert die Zykluseigenschaften der Batterie.