Pengaruh Konsentrasi NMP Terhadap Kinerja Baterai LFP

Litium besi fosfat (LiFePO4)bahan elektroda katodabubur berbahan dasar minyak biasanya digunakanN-metilpirolidon (NMP), dimetil sulfoksida dan dimetilformamida sebagai pelarut, yang memiliki masalah seperti sulitnya memperoleh kembali pelarut, penggunaan dalam jumlah besar, dan pencemaran lingkungan. Bubur berbahan dasar air bahan elektroda positif LiFePO4 menggunakan air deionisasi sebagai pelarut, yang ramah lingkungan dan berbiaya rendah, tetapi lembaran elektroda positif pengikat berbahan dasar air memiliki masalah seperti fleksibilitas yang buruk, daya rekat bahan aktif yang lemah, dan kinerja elektrokimia yang buruk. Dalam makalah ini, lembaran elektroda positif dengan jumlah penambahan NMP yang berbeda disiapkan untuk mempelajari pengaruh NMP terhadap kinerja lembaran elektroda positif yang disiapkan denganpengikat berbahan dasar air LA132.

Percobaan

Pengikat berair LA132, karbon hitam superkonduktor, air deionisasi dan LiFePO4 dibuat menjadi bubur dengan perbandingan massa 2,5:2.5:50:40. Empat porsi bubur ditambahkan dengan NMP 0, 1%, 2% dan 3%, bernomor A, B, C dan D. Kalender elektroda positif. Mengeringkan elektroda positif pada suhu 100 derajat dalam ruang hampa selama 24 jam untuk menghilangkan air dan NMP, dan menyiapkan elektroda positif dengan kandungan bahan aktif 95%. Potong menjadi cakram berdiameter 20mm. Rakit sel koin CR2016 dengan elektroda negatif lembaran logam litium, elektrolit 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (rasio volume 1:1:1), pemisah polipropilen mikropori, dalam kotak sarung tangan berisi gas argon kering.

Pertama, tekuk lembaran elektroda A, B, C, dan D sebesar 180 derajat, lalu uji daya rekat lembaran elektroda tersebut pada mesin uji tarik. Kemudian lakukan uji ketangguhan pada lembaran elektroda pada alat uji ketangguhan (diameter batang poros masing-masing 1, 2, 3, 4, 6, 8, dan 10 mm), dan amati apakah terdapat retakan pada permukaan. lembaran elektroda setelah berliku. Kepadatan arus uji pengisian dan pengosongan baterai adalah 0,1C, dan tegangan uji adalah 2,5~3,5V.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 adalah diagram uji adhesi elektroda LiFePO4 pada tekukan 180 derajat. Terlihat dari Gambar 1 bahwa daya rekat elektroda meningkat secara signifikan karena penambahan NMP, dan peningkatan daya rekat elektroda sebanding dengan jumlah NMP yang ditambahkan. Adhesi adalah jenis gaya van der Waals, yang bergantung pada interaksi antar molekul.

Selama proses produksi lembaran elektroda LiFePO4, lembaran elektroda pasti akan bersentuhan dengan oksigen di udara. Selama proses pemanasan, lembaran elektroda yang dipanaskan bereaksi dengan oksigen membentuk gugus asam. Gugus asam kekurangan elektron dan akan membentuk ikatan hidrogen antarmolekul yang lemah dengan (-CN) dalam pengikat berair. Hal ini akan mengubah tiksotropi slurry, mengurangi fluiditas, dan menyebabkan lapisan slurry tidak merata. Setelah ditambahkan NMP akan menetralkan gugus asam pada lembaran elektroda. Hal ini dapat mengurangi hilangnya elektron pada permukaan lembaran elektroda, mencegah bubur dari tiksotropi, dan meningkatkan daya rekat antara pengikat dan pengumpul arus. Bubur elektroda positif tersebar secara merata dan fluiditas ditingkatkan, sehingga meningkatkan tingkat pemanfaatan bubur dan lembaran elektroda. Oleh karena itu, penambahan pelarut NMP yang kaya elektron dapat meningkatkan kinerja baterai.

Tabel 1 menunjukkan hasil uji fleksibilitas empat jenis lembaran elektroda. Perhatikan Gambar 1, terlihat retakan permukaan muncul pada saat jarum lilitan diameter 6mm menguji elektroda positif A, dan pada saat jarum lilitan diameter 1mm diuji, elektroda B~D tidak mengalami retakan permukaan. Terlihat bahwa fleksibilitas yang paling buruk adalah lembaran elektroda positif berbahan dasar air murni, yang rentan retak, pecah, dan sobek selama persiapan. Menambahkan NMP dapat meningkatkan fleksibilitas lembaran elektroda dan meningkatkan tingkat pemanfaatan lembaran elektroda. Partikel lateks dalam pengikat LA132 adalah polimer polar yang kuat dengan gaya antarmolekul yang kuat dan kemampuan memutar yang buruk, serta lembaran elektroda mudah pecah. Dengan penambahan NMP, diameter partikel lateks dalam pengikat LA132 meningkat, kemampuan memutar meningkat, kemampuan rotasi rantai molekul menurun, dan fleksibilitas lembaran elektroda ditingkatkan.

Tabel 2 menunjukkan hasil uji kinerja elektrokimia lembaran elektroda. Nilai kapasitas spesifik pelepasan pertama, efisiensi pengisian dan pengosongan, tegangan median pelepasan, dan rasio arus konstan pada dasarnya sama. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan NMP tidak berpengaruh terhadap kapasitas pelepasan dan karakteristik pengisian dan pengosongan bahan aktif elektroda positif lembaran elektroda positif.

Gambar 2 sampai 4 menunjukkan hubungan antara rasio arus konstan, kapasitas spesifik laju pelepasan, tegangan median pelepasan dan jumlah penambahan NMP keempat lembar elektroda.

Dari Gambar 2, terlihat bahwa pada kondisi pengujian yang sama, rasio arus konstan pengisian keempat baterai semuanya di atas 98,2%. Dari Gambar 3 dan 4, dapat ditemukan bahwa kapasitas spesifik pelepasan dan tegangan median dari lembaran elektroda yang sama terus menurun seiring dengan meningkatnya laju pelepasan.

Kapasitas pelepasan dan tegangan median elektroda A dan B pada dasarnya sama pada laju pelepasan yang berbeda. Ketika laju pelepasan meningkat, tegangan median dan kapasitas pelepasan elektroda C dan D meningkat secara bertahap. Terlihat bahwa ketika NMP ditambahkan pada konsentrasi tidak lebih dari 1%, kinerja laju pengosongan baterai tidak akan terpengaruh. Jika NMP ditambahkan pada konsentrasi lebih dari 1%, NMP akan mempengaruhi kapasitas pelepasan dan tegangan median elektroda positif.

Gambar 5 menunjukkan kurva kinerja siklus keempat jenis baterai. Dengan mengamati Gambar 5, dapat diketahui bahwa pada awal siklus pengisian dan pengosongan, tren peluruhan kapasitas lembaran elektroda A dan lembaran elektroda B adalah serupa, dan tren peluruhan kapasitas lembaran elektroda C dan lembaran elektroda D adalah serupa. , sedangkan laju peluruhan elektroda lembaran C dan elektroda lembaran D lebih besar. Ketika siklus berlanjut, peluruhan lembaran elektroda A, C dan D semakin cepat, dan laju peluruhan lembaran elektroda B pada dasarnya tidak berubah. Tingkat retensi kapasitas baterai akhir adalah lembar elektroda D＜C＜A＜B. Hal ini menunjukkan bahwa bila jumlah NMP yang ditambahkan kurang dari 1%, hal ini bermanfaat untuk meningkatkan karakteristik siklus baterai, dan bila jumlah NMP yang ditambahkan lebih besar dari 1%, karakteristik siklus baterai akan terpengaruh.

Kesimpulan

Adhesi lembaran elektroda positif dapat ditingkatkan dengan menambahkan NMP, dan adhesi secara bertahap meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah NMP yang ditambahkan. Setelah ditambahkan NMP, gugus asam pada elektroda akan dinetralkan, yang dapat mengurangi kehilangan elektron pada permukaan elektroda, mencegah bubur dari tiksotropi, meningkatkan daya rekat pengikat dan pengumpul arus, membuat bubur elektroda positif tersebar secara merata. , dan meningkatkan fluiditas, sehingga meningkatkan pemanfaatan bubur dan elektroda. Jika jumlah NMP yang ditambahkan kurang dari 1%, hal ini tidak akan mempengaruhi kinerja laju pengosongan baterai dan dapat meningkatkan karakteristik siklus baterai. Namun bila jumlah NMP yang ditambahkan lebih besar dari 1%, NMP akan mempengaruhi kapasitas pelepasan dan tegangan median elektroda positif serta mengurangi karakteristik siklus baterai.