Ảnh hưởng của nồng độ NMP đến hiệu suất của pin LFP

Liti sắt photphat (LiFePO4)vật liệu điện cực catốtbùn gốc dầu thường sử dụngN-metylpyrrolidone (NMP), dimethyl sulfoxide và dimethylformamide làm dung môi, có các vấn đề như khó thu hồi dung môi, sử dụng lượng lớn và ô nhiễm môi trường. Bùn gốc nước của vật liệu điện cực dương LiFePO4 sử dụng nước khử ion làm dung môi, thân thiện với môi trường và chi phí thấp, nhưng tấm điện cực dương chất kết dính gốc nước có các vấn đề như tính linh hoạt kém, độ bám dính yếu của vật liệu hoạt động và hiệu suất điện hóa kém. Trong bài báo này, các tấm điện cực dương với lượng bổ sung NMP khác nhau đã được chuẩn bị để nghiên cứu ảnh hưởng của NMP đến hiệu suất của các tấm điện cực dương được điều chế bằngchất kết dính gốc nước LA132.

Cuộc thí nghiệm

Chất kết dính nước LA132, muội than siêu dẫn, nước khử ion và LiFePO4 được điều chế thành dạng bùn với tỷ lệ khối lượng là 2,5:2,5:50:40. Bốn phần bùn được thêm vào với 0, 1%, 2% và 3% NMP, được đánh số A, B, C và D. Cán điện cực dương. Làm khô điện cực dương ở 100 độ trong chân không trong 24 giờ để loại bỏ nước và NMP, và chuẩn bị điện cực dương có hàm lượng vật liệu hoạt động là 95%. Cắt nó thành đĩa có đường kính 20 mm. Lắp pin đồng xu CR2016 với điện cực âm tấm kim loại lithium, chất điện phân 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (tỷ lệ thể tích 1:1:1), thiết bị tách polypropylen siêu nhỏ, trong hộp găng tay khô chứa đầy khí argon.

Đầu tiên, uốn cong các tấm điện cực A, B, C và D 180 độ, sau đó kiểm tra độ bám dính của các tấm điện cực trên máy kiểm tra độ bền kéo. Sau đó, thực hiện kiểm tra độ bền trên các tấm điện cực trên máy đo độ bền (đường kính của các thanh trục lần lượt là 1, 2, 3, 4, 6, 8 và 10 mm) và quan sát xem có vết nứt trên bề mặt không. của các tấm điện cực sau khi cuộn dây. Mật độ dòng thử nghiệm sạc và xả pin là 0,1C và điện áp thử nghiệm là 2,5 ~ 3,5V.

Kết quả và thảo luận

Hình 1 là sơ đồ kiểm tra độ bám dính của điện cực LiFePO4 khi uốn 180 độ. Có thể thấy trong Hình 1, độ bám dính của điện cực được cải thiện đáng kể do bổ sung NMP và sự cải thiện độ bám dính của điện cực tỷ lệ thuận với lượng NMP được thêm vào. Độ bám dính là một loại lực van der Waals, phụ thuộc vào sự tương tác giữa các phân tử.

Trong quá trình sản xuất tấm điện cực LiFePO4, các tấm điện cực chắc chắn sẽ tiếp xúc với oxy trong không khí. Trong quá trình gia nhiệt, các tấm điện cực được gia nhiệt sẽ phản ứng với oxy tạo thành các nhóm axit. Các nhóm axit thiếu electron và sẽ hình thành liên kết hydro liên phân tử yếu với (-CN) trong chất kết dính nước. Nó sẽ thay đổi tính thixotropy của bùn, làm giảm tính lưu động và gây ra lớp phủ bùn không đồng đều. Sau khi thêm NMP sẽ trung hòa các nhóm axit trên các tấm điện cực. Nó có thể làm giảm sự mất electron trên bề mặt của các tấm điện cực, ngăn chặn bùn khỏi hiện tượng thixotropy và tăng độ bám dính giữa chất kết dính và bộ thu dòng điện. Bùn điện cực dương được phân tán đều và tính lưu động được cải thiện, từ đó cải thiện tỷ lệ sử dụng bùn và các tấm điện cực. Do đó, việc bổ sung dung môi giàu điện tử NMP có thể cải thiện hiệu suất của pin.

Bảng 1 thể hiện kết quả kiểm tra tính linh hoạt của bốn loại tấm điện cực. Quan sát Hình 1, có thể thấy các vết nứt bề mặt xuất hiện khi thử kim cuộn dây đường kính 6 mm với điện cực dương A và khi thử kim cuộn dây đường kính 1mm, điện cực B~D không có vết nứt bề mặt. Có thể thấy, độ linh hoạt kém nhất là tấm điện cực dương gốc nước tinh khiết, dễ bị nứt, gãy, rách trong quá trình chuẩn bị. Việc thêm NMP có thể cải thiện tính linh hoạt của tấm điện cực và tăng tỷ lệ sử dụng của tấm điện cực. Các hạt latex trong chất kết dính LA132 là các polyme phân cực mạnh, lực liên phân tử mạnh và khả năng xoắn kém, tấm điện cực dễ bị gãy. Khi bổ sung NMP, đường kính của các hạt latex trong chất kết dính LA132 tăng lên, khả năng xoắn tăng lên, khả năng xoay chuỗi phân tử giảm và tính linh hoạt của tấm điện cực được tăng cường.

Bảng 2 thể hiện kết quả kiểm tra hiệu suất điện hóa của tấm điện cực. Các giá trị của công suất riêng của lần phóng điện đầu tiên, hiệu suất nạp và phóng điện, điện áp trung bình phóng điện và tỷ số dòng điện không đổi về cơ bản là giống nhau. Điều này cho thấy việc bổ sung NMP không ảnh hưởng đến khả năng phóng điện cũng như đặc tính tích điện và phóng điện của vật liệu hoạt động điện cực dương của tấm điện cực dương.

Hình 2 đến Hình 4 cho thấy mối quan hệ giữa tỷ số dòng điện không đổi, công suất riêng của tốc độ phóng điện, điện áp trung bình phóng điện và lượng bổ sung NMP của bốn tấm điện cực.

Từ Hình 2, có thể thấy rằng trong cùng điều kiện thử nghiệm, tỷ lệ dòng điện không đổi khi sạc của bốn pin đều trên 98,2%. Từ Hình 3 và 4, có thể thấy rằng công suất phóng điện và điện áp trung bình của cùng một tấm điện cực tiếp tục giảm khi tốc độ phóng điện tăng.

Công suất phóng điện và điện áp trung bình của điện cực A và B về cơ bản là giống nhau ở các tốc độ phóng điện khác nhau. Khi tốc độ phóng điện tăng lên, điện áp trung bình và khả năng phóng điện của điện cực C và D tăng dần. Có thể thấy, khi bổ sung NMP với nồng độ không quá 1% thì hiệu suất xả tốc độ của pin sẽ không bị ảnh hưởng. Khi thêm NMP với nồng độ lớn hơn 1%, NMP sẽ ảnh hưởng đến khả năng phóng điện và điện áp trung bình của điện cực dương.

Hình 5 cho thấy đường cong hiệu suất chu kỳ của bốn loại pin. Quan sát hình 5, có thể thấy rằng khi bắt đầu chu kỳ tích điện và phóng điện, xu hướng suy giảm công suất của các tấm điện cực A và các tấm điện cực B là tương tự nhau, và xu hướng suy giảm công suất của các tấm điện cực C và các tấm điện cực D là tương tự nhau. , trong khi tốc độ phân rã của tấm điện cực C và tấm điện cực D lớn hơn. Khi chu kỳ tiếp tục, sự phân rã của các tấm điện cực A, C và D tăng tốc và tốc độ phân rã của tấm điện cực B về cơ bản không thay đổi. Tỷ lệ duy trì dung lượng pin cuối cùng là tấm điện cực D＜C＜A＜B. Điều này cho thấy rằng khi lượng NMP được thêm vào nhỏ hơn 1% thì sẽ có lợi cho việc cải thiện các đặc tính chu kỳ của pin và khi lượng NMP được thêm vào lớn hơn 1% thì các đặc tính chu kỳ của pin sẽ bị ảnh hưởng.

Phần kết luận

Độ bám dính của tấm điện cực dương có thể được cải thiện bằng cách thêm NMP và độ bám dính tăng dần khi lượng NMP được thêm vào tăng dần. Sau khi thêm NMP, các nhóm axit trên điện cực sẽ được trung hòa, có thể làm giảm sự mất electron trên bề mặt điện cực, ngăn ngừa hiện tượng thixotropy trong bùn, tăng độ bám dính của chất kết dính và bộ thu dòng, làm cho bùn điện cực dương phân tán đều , và cải thiện tính lưu động, từ đó cải thiện việc sử dụng bùn và điện cực. Khi lượng NMP được thêm vào nhỏ hơn 1%, nó sẽ không ảnh hưởng đến hiệu suất xả tốc độ của pin và có thể cải thiện các đặc tính chu kỳ của pin. Tuy nhiên, khi lượng NMP được thêm vào lớn hơn 1%, NMP sẽ ảnh hưởng đến khả năng phóng điện và điện áp trung bình của cực dương và làm giảm đặc tính chu kỳ của pin.