تأثير تركيز NMP على أداء بطارية LFP - أخبار الصناعة

فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)مادة القطب الكاثودعادة ما يستخدم الملاط القائم على الزيتن- ميثيل بيروليدون (NMP)، ثنائي ميثيل سلفوكسيد وثنائي ميثيل فورماميد كمذيبات، والتي لديها مشاكل مثل صعوبة استعادة المذيبات، وكمية كبيرة من الاستخدام والتلوث البيئي. يستخدم الملاط المائي لمواد القطب الموجب LiFePO4 الماء منزوع الأيونات كمذيب، وهو صديق للبيئة ومنخفض التكلفة، لكن لوح القطب الموجب الموثق المائي يحتوي على مشاكل مثل ضعف المرونة، وضعف التصاق المواد النشطة والأداء الكهروكيميائي الضعيف. في هذا البحث تم تحضير صفائح القطب الموجب بكميات إضافة NMP مختلفة لدراسة تأثير NMP على أداء صفائح القطب الموجب المحضرة باستخدامرابط مائي LA132.

تجربة

تم تحضير المادة الرابطة المائية LA132، وأسود الكربون فائق التوصيل، والماء منزوع الأيونات، وLiFePO4 في الملاط بنسبة كتلة تبلغ 2.5:2.5:50:40. تمت إضافة أربعة أجزاء من الملاط مع 0، 1%، 2% و3% NMP، مرقمة A، B، C وD. تقويم القطب الموجب. تجفيف القطب الموجب عند 100 درجة في فراغ لمدة 24 ساعة لإزالة الماء وNMP، وتم تحضير القطب الموجب بمحتوى مادة نشطة بنسبة 95%. نقطعها إلى أقراص قطرها 20 مم. تجميع خلية عملة CR2016 مع قطب سلبي من صفائح الليثيوم المعدنية، 1 مول/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (نسبة الحجم 1:1:1) المنحل بالكهرباء، فاصل بولي بروبيلين صغير المسام، في صندوق القفازات المملوء بغاز الأرجون الجاف.

أولاً، قم بثني صفائح القطب الكهربائي A وB وC وD بزاوية 180 درجة، ثم اختبر التصاق صفائح القطب الكهربائي على آلة اختبار الشد. بعد ذلك، قم بإجراء اختبار المتانة على صفائح القطب الكهربائي باستخدام جهاز اختبار المتانة (أقطار قضبان العمود هي 1، 2، 3، 4، 6، 8، و10 مم، على التوالي)، ولاحظ ما إذا كانت هناك شقوق على السطح من صفائح القطب بعد اللف. كثافة تيار اختبار شحن وتفريغ البطارية هي 0.1C، وجهد الاختبار هو 2.5~3.5V.

النتائج والمناقشة

الشكل 1 هو رسم تخطيطي لاختبار التصاق القطب LiFePO4 عند ثني 180 درجة. يمكن أن نرى من الشكل 1 أن التصاق القطب قد تحسن بشكل كبير بسبب إضافة NMP، وتحسين التصاق القطب يتناسب مع كمية NMP المضافة. الالتصاق هو نوع من قوة فان دير فالس، والذي يعتمد على التفاعل بين الجزيئات.

Figure 1 Relationship between adhesion and NMP addition

أثناء عملية إنتاج صفائح القطب الكهربائي LiFePO4، ستتلامس صفائح القطب الكهربائي حتماً مع الأكسجين الموجود في الهواء. أثناء عملية التسخين، تتفاعل صفائح الأقطاب الكهربائية المسخنة مع الأكسجين لتكوين مجموعات حمضية. تفتقر المجموعات الحمضية إلى الإلكترونات وسوف تشكل روابط هيدروجينية ضعيفة بين الجزيئات مع (-CN) في الرابط المائي. سوف يغير تسييل الملاط، ويقلل السيولة، ويسبب طلاء الملاط غير المتساوي. بعد إضافة NMP، فإنه سيتم تحييد المجموعات الحمضية على صفائح القطب. يمكن أن يقلل من فقدان الإلكترونات على سطح صفائح الإلكترود، ويمنع الملاط من الانسيابية، ويزيد من الالتصاق بين الرابط والمجمع الحالي. يتم توزيع ملاط القطب الموجب بالتساوي ويتم تحسين السيولة، وبالتالي تحسين معدل استخدام الملاط وألواح القطب. ولذلك، فإن إضافة المذيب الغني بالإلكترونات NMP يمكن أن يحسن أداء البطارية.

يوضح الجدول 1 نتائج اختبار المرونة لأربعة أنواع من صفائح الأقطاب الكهربائية. بمراقبة الشكل 1، يمكن العثور على أن الشقوق السطحية ظهرت عندما اختبرت إبرة اللف بقطر 6 مم القطب الموجب A، وعندما تم اختبار إبرة اللف بقطر 1 مم، لم يكن لدى الأقطاب الكهربائية B~D شقوق سطحية. يمكن ملاحظة أن أفقر المرونة هي صفائح القطب الموجب ذات الأساس المائي النقي، والتي تكون عرضة للتشققات والكسر والتمزق أثناء التحضير. يمكن أن تؤدي إضافة NMP إلى تحسين مرونة صفيحة الإلكترود وزيادة معدل استخدام صفيحة الإلكترود. إن جزيئات اللاتكس الموجودة في رابط LA132 عبارة عن بوليمرات قطبية قوية ذات قوى جزيئية قوية وقدرة على الالتواء ضعيفة، كما أن لوح القطب الكهربائي سهل الكسر. مع إضافة NMP، يزداد قطر جزيئات اللاتكس في رابط LA132، وتزداد قدرة الالتواء، وتقل قدرة دوران السلسلة الجزيئية، وتتعزز مرونة لوح القطب.

الجدول 1: العلاقة بين مرونة القطب ومبلغ إضافة NMP
لا.	D10	D8	D6	D4	D3	D2	D1
A	لا	مرن	مرن	مرن	مرن	مرن	مرن
B	لا	لا	لا	لا	لا	لا	لا
C	لا	لا	لا	لا	لا	لا	لا
D	لا	لا	لا	لا	لا	لا	لا

يوضح الجدول 2 نتائج اختبار الأداء الكهروكيميائي للوحة القطب. إن قيم السعة المحددة للتفريغ الأول، وكفاءة الشحن والتفريغ، وجهد التفريغ المتوسط، ونسبة التيار الثابت هي نفسها بشكل أساسي. يوضح هذا أن إضافة NMP ليس له أي تأثير على قدرة التفريغ وخصائص الشحن والتفريغ للمادة النشطة للقطب الموجب للوحة القطب الموجب.

الجدول 2: الخصائص الكهروكيميائية للقطب
لا.	سعة التفريغ الأولى المحددة /(mAh·g-1)	كفاءة الشحن والتفريغ /٪	تفريغ متوسط الجهد /V	نسبة التيار المستمر /٪
A	157.0	97.90	3.384	99.3
B	157.1	98.10	3.386	99.4
C	156.9	98.00	3.385	99.4
D	157.0	97.90	3.385	99.3

Figure 2 Relationship between constant current ratio and NMP addition amount

توضح الأشكال من 2 إلى 4 العلاقة بين نسبة التيار الثابت ومعدل التفريغ المحدد والجهد المتوسط للتفريغ وكمية إضافة NMP لصفائح الأقطاب الكهربائية الأربعة.

من الشكل 2، يمكن العثور على أنه في ظل نفس ظروف الاختبار، تكون نسب تيار الشحن الثابتة للبطاريات الأربع جميعها أعلى من 98.2%. من الشكلين 3 و4، يمكن العثور على أن سعة التفريغ المحددة والجهد المتوسط لنفس لوحة القطب تستمر في الاضمحلال مع زيادة معدل التفريغ.

Figure 3 Relationship between discharge specific capacity and NMP addition amount

إن قدرة التفريغ والجهد المتوسط للأقطاب الكهربائية A وB هي نفسها بشكل أساسي عند معدلات تفريغ مختلفة. ومع زيادة معدل التفريغ، فإن الجهد المتوسط وقدرة التفريغ للأقطاب الكهربائية C وD تزداد تدريجيًا. ويمكن ملاحظة أنه عند إضافة NMP بتركيز لا يزيد عن 1%، فإن معدل أداء تفريغ البطارية لن يتأثر. عند إضافة NMP بتركيز يزيد عن 1%، سيؤثر NMP على قدرة التفريغ والجهد المتوسط للقطب الموجب.

Figure 4 Relationship between median voltage and NMP addition amount

ويبين الشكل 5 منحنيات أداء الدورة للأنواع الأربعة من البطاريات. من خلال ملاحظة الشكل 5، يمكن العثور على أنه في بداية دورة الشحن والتفريغ، تكون اتجاهات اضمحلال السعة لصفائح الإلكترود A وصفائح الإلكترود B متشابهة، واتجاهات تسوس السعة لصفائح الإلكترود C وصفائح الإلكترود D متشابهة ، في حين أن معدلات اضمحلال صفائح الإلكترود C وصفائح الإلكترود D أكبر. مع استمرار الدورة، يتسارع تحلل صفائح القطب الكهربائي A وC وD، ويظل معدل تحلل صفائح القطب الكهربائي B دون تغيير بشكل أساسي. معدل الاحتفاظ النهائي بسعة البطارية هو لوح القطب الكهربائي D＜C＜A＜B. يوضح هذا أنه عندما تكون كمية NMP المضافة أقل من 1%، يكون من المفيد تحسين خصائص دورة البطارية، وعندما تكون كمية NMP المضافة أكبر من 1%، ستتأثر خصائص دورة البطارية.

Figure 5 Cycle curves of batteries with different NMP addition amounts

خاتمة

يمكن تحسين التصاق صفيحة القطب الموجب بإضافة NMP، ويزداد الالتصاق تدريجياً مع زيادة كمية NMP المضافة. بعد إضافة NMP، سيتم تحييد المجموعات الحمضية الموجودة على القطب، مما يمكن أن يقلل من فقدان الإلكترونات على سطح القطب، ويمنع الملاط من الانسيابية، ويزيد من التصاق الرابط ومجمع التيار، ويجعل ملاط القطب الموجب مشتتًا بالتساوي ، وتحسين السيولة، وبالتالي تحسين الاستفادة من الملاط والقطب الكهربائي. عندما تكون كمية NMP المضافة أقل من 1%، فلن يؤثر ذلك على معدل أداء تفريغ البطارية ويمكن أن يحسن خصائص دورة البطارية. ومع ذلك، عندما تكون كمية NMP المضافة أكبر من 1%، فإن NMP سيؤثر على قدرة التفريغ والجهد المتوسط للقطب الموجب ويقلل من خصائص دورة البطارية.