Effet de la concentration de NMP sur les performances de la batterie LFP

Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4)matériau de l'électrode cathodiquele lisier à base d'huile utilise généralementN-méthylpyrrolidone (NMP), le diméthylsulfoxyde et le diméthylformamide comme solvants, qui présentent des problèmes tels qu'une récupération difficile des solvants, une utilisation importante et une pollution de l'environnement. La boue à base d'eau de matériau d'électrode positive LiFePO4 utilise de l'eau désionisée comme solvant, ce qui est respectueux de l'environnement et peu coûteux, mais la feuille d'électrode positive de liant à base d'eau présente des problèmes tels qu'une mauvaise flexibilité, une faible adhérence des matériaux actifs et de mauvaises performances électrochimiques. Dans cet article, des feuilles d'électrodes positives avec différentes quantités d'ajout de NMP ont été préparées pour étudier l'effet de la NMP sur les performances des feuilles d'électrodes positives préparées avecliant à l'eau LA132.

Expérience

Le liant aqueux LA132, le noir de carbone supraconducteur, l'eau désionisée et le LiFePO4 ont été préparés en suspension dans un rapport massique de 2,5 : 2,5 : 5 0 : 40. Quatre portions de suspension ont été ajoutées avec 0, 1 %, 2 % et 3 % de NMP, numérotées A, B, C et D. Calandrage de l'électrode positive. Séchage de l'électrode positive à 100 degrés sous vide pendant 24 heures pour éliminer l'eau et le NMP, et préparation de l'électrode positive avec une teneur en matière active de 95 %. Coupez-le en disques de 20 mm de diamètre. Assemblez la pile bouton CR2016 avec une électrode négative en tôle de lithium, un électrolyte 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (rapport de volume 1:1:1), un séparateur microporeux en polypropylène, dans une boîte à gants sèche remplie de gaz argon.

Tout d’abord, pliez les feuilles d’électrodes A, B, C et D à 180 degrés, puis testez l’adhérence des feuilles d’électrodes sur une machine d’essai de traction. Ensuite, effectuez un test de ténacité sur les feuilles d'électrodes sur un testeur de ténacité (les diamètres des tiges d'arbre sont respectivement de 1, 2, 3, 4, 6, 8 et 10 mm) et observez s'il y a des fissures sur la surface. des feuilles d'électrodes après enroulement. La densité de courant de test de charge et de décharge de la batterie est de 0,1 C et la tension de test est de 2,5 à 3,5 V.

Résultats et discussion

La figure 1 est un diagramme de test de l'adhésion de l'électrode LiFePO4 à une flexion à 180 degrés. Il ressort de la figure 1 que l'adhérence de l'électrode est considérablement améliorée grâce à l'ajout de NMP, et l'amélioration de l'adhérence de l'électrode est proportionnelle à la quantité de NMP ajoutée. L'adhésion est un type de force de Van der Waals, qui dépend de l'interaction entre les molécules.

Pendant le processus de production de feuilles d'électrodes LiFePO4, les feuilles d'électrodes entreront inévitablement en contact avec l'oxygène de l'air. Pendant le processus de chauffage, les feuilles d'électrodes chauffées réagissent avec l'oxygène pour former des groupes acides. Les groupes acides manquent d'électrons et formeront de faibles liaisons hydrogène intermoléculaires avec (-CN) dans le liant aqueux. Cela modifiera la thixotropie de la boue, réduira sa fluidité et provoquera un revêtement inégal de la boue. Après avoir ajouté du NMP, il neutralisera les groupes acides sur les feuilles d'électrodes. Il peut réduire la perte d'électrons à la surface des feuilles d'électrodes, empêcher la thixotropie de la suspension et augmenter l'adhérence entre le liant et le collecteur de courant. La suspension d'électrode positive est uniformément dispersée et la fluidité est améliorée, améliorant ainsi le taux d'utilisation de la suspension et des feuilles d'électrode. Par conséquent, l’ajout de solvant NMP riche en électrons peut améliorer les performances de la batterie.

Le tableau 1 montre les résultats du test de flexibilité de quatre types de feuilles d'électrodes. En observant la figure 1, on peut constater que des fissures de surface sont apparues lorsque l'aiguille d'enroulement de 6 mm de diamètre a testé l'électrode positive A, et lorsque l'aiguille d'enroulement de 1 mm de diamètre a été testée, les électrodes B ~ D n'avaient pas de fissures de surface. On peut voir que la flexibilité la plus faible est la feuille d'électrode positive à base d'eau pure, qui est sujette aux fissures, à la casse et à la déchirure lors de la préparation. L'ajout de NMP peut améliorer la flexibilité de la feuille d'électrode et augmenter le taux d'utilisation de la feuille d'électrode. Les particules de latex contenues dans le liant LA132 sont des polymères polaires puissants dotés de fortes forces intermoléculaires et d'une faible capacité de torsion, et la feuille d'électrode est facile à briser. Avec l'ajout de NMP, le diamètre des particules de latex dans le liant LA132 augmente, la capacité de torsion augmente, la capacité de rotation de la chaîne moléculaire diminue et la flexibilité de la feuille d'électrode est améliorée.

Le tableau 2 montre les résultats des tests de performances électrochimiques de la feuille d'électrode. Les valeurs de la capacité spécifique de première décharge, de l'efficacité de charge et de décharge, de la tension médiane de décharge et du rapport de courant constant sont fondamentalement les mêmes. Cela montre que l'ajout de NMP n'a aucun effet sur la capacité de décharge et les caractéristiques de charge et de décharge du matériau actif d'électrode positive de la feuille d'électrode positive.

Les figures 2 à 4 montrent la relation entre le rapport de courant constant, la capacité spécifique de décharge, la tension médiane de décharge et la quantité d'ajout de NMP des quatre feuilles d'électrodes.

À partir de la figure 2, on peut constater que dans les mêmes conditions de test, les taux de courant constant de charge des quatre batteries sont tous supérieurs à 98,2 %. Les figures 3 et 4 montrent que la capacité spécifique de décharge et la tension médiane de la même feuille d'électrode continuent de décroître avec l'augmentation du taux de décharge.

La capacité de décharge et la tension médiane des électrodes A et B sont fondamentalement les mêmes à des taux de décharge différents. À mesure que le taux de décharge augmente, la tension médiane et la capacité de décharge des électrodes C et D augmentent progressivement. On peut voir que lorsque le NMP est ajouté à une concentration ne dépassant pas 1 %, les performances de décharge de la batterie ne seront pas affectées. Lorsque le NMP est ajouté à une concentration supérieure à 1 %, le NMP affectera la capacité de décharge et la tension médiane de l'électrode positive.

La figure 5 montre les courbes de performances de cycle des quatre types de batteries. En observant la figure 5, on peut constater qu'au début du cycle de charge et de décharge, les tendances de décroissance de capacité des feuilles d'électrodes A et des feuilles d'électrodes B sont similaires, et les tendances de décroissance de capacité des feuilles d'électrodes C et des feuilles d'électrodes D sont similaires. , tandis que les taux de désintégration des feuilles d'électrodes C et des feuilles d'électrodes D sont plus importants. À mesure que le cycle se poursuit, la désintégration des feuilles d'électrodes A, C et D s'accélère et le taux de désintégration de la feuille d'électrode B reste fondamentalement inchangé. Le taux de rétention final de la capacité de la batterie est la feuille d'électrode D＜C＜A＜B. Cela montre que lorsque la quantité de NMP ajoutée est inférieure à 1 %, il est bénéfique d'améliorer les caractéristiques de cycle de la batterie, et que lorsque la quantité de NMP ajoutée est supérieure à 1 %, les caractéristiques de cycle de la batterie seront affectées.

Conclusion

L'adhésion de la feuille d'électrode positive peut être améliorée en ajoutant du NMP, et l'adhésion augmente progressivement avec l'augmentation de la quantité de NMP ajoutée. Après avoir ajouté du NMP, les groupes acides sur l'électrode seront neutralisés, ce qui peut réduire la perte d'électrons sur la surface de l'électrode, empêcher la suspension de thixotropie, augmenter l'adhérence du liant et du collecteur de courant, disperser uniformément la suspension d'électrode positive. , et améliorent la fluidité, améliorant ainsi l'utilisation de la suspension et de l'électrode. Lorsque la quantité de NMP ajoutée est inférieure à 1 %, cela n’affectera pas les performances de décharge de la batterie et peut améliorer les caractéristiques de cycle de la batterie. Cependant, lorsque la quantité de NMP ajoutée est supérieure à 1 %, la NMP affectera la capacité de décharge et la tension médiane de l'électrode positive et réduira les caractéristiques de cycle de la batterie.