مقدمة
المادة الرابطة للبطارية عبارة عن مادة بوليمرية تستخدم لتثبيت المواد النشطة، مثل الأقطاب الكهربائية، على رقائق التجميع. وتضمن بقاء جزيئات القطب الكهربائي في مكانها أثناء دورات الشحن والتفريغ مع السماح للأيونات بالتحرك بحرية. واحدة من أكثر المواد الرابطة شيوعًا المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون هي PVDF (فلوريد البولي فينيل الدين). فهو يجمع بين العديد من المزايا مثل القوة الميكانيكية والقدرة على الالتصاق والاستقرار الكيميائي والكهروكيميائي وقابلية الذوبان في المذيبات العضوية وخاصية التورم فيما يتعلق بالكهارل.
وترد الصيغ الهيكلية لكل من PVDF وNMP في الشكل 1. يتم تطبيق PVDF دائمًا مع مذيب لإنشاء ملاط متجانس. ويستخدم N-Methyl-2-pyrrolidon (N-Methyl-2-pyrrolidon) في المقام الأول كمذيب ل PVDF. نظرًا لمقاومته الكيميائية العالية، غالبًا ما يتم إعادة تدوير NMP ويمكن إعادة استخدامه بعد عملية التجفيف. ويؤدي NMP دورًا حاسمًا، لأنه يتيح طبقات متجانسة على مادة القطب الكهربائي، وبالتالي تحسين جودة الأقطاب الكهربائية من حيث الطاقة وكثافة الطاقة وعمر البطارية.


شروط القياس
شروط القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
الأداة | PERSEUS® درجة الحرارة Libra® |
---|---|
نطاق درجة الحرارة | درجة حرارة الغرفة إلى 1000 درجة مئوية |
معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
غاز التطهير | النيتروجين والهواء (40 مل/دقيقة) |
البوتقة | Al2O3، مفتوح (85 ميكرولتر) |
نتائج القياس والمناقشة
في البداية، تم فحص PVDF النقي لتحديد الثبات الحراري وسلوك التحلل والغازات المتطايرة. في الخطوة الثانية، تم تحليل PVDF المذاب في NMP. تم تسخين كلتا العينتين إلى 800 درجة مئوية في جو خامل. بين 800 درجة مئوية و1000 درجة مئوية، تم تطبيق جو مؤكسد. يبدأ تحلل PVDF النقي فوق 400 درجة مئوية. في المجموع، تم اكتشاف ثلاث خطوات من الانحلال الحراري. بعد تحويل جو الغاز إلى الهواء، يحدث احتراق الكربون المتحلل حراريًا. يشير المنحنى إلى أنه بالنسبة لجميع خطوات فقدان الكتلة، يتم إطلاق المواد النشطة بالأشعة تحت الحمراء (انظر الشكل 2).
يعرض الرسم البياني ثلاثي الأبعاد جميع أطياف الأشعة تحت الحمراء المقاسة في ارتباط مع درجة الحرارة ومنحنى TGA؛ انظر الشكل 3.


تم استخلاص أطياف الغازات التي تحدث أثناء الانحلال الحراري عند درجة حرارة 460 درجة مئوية و570 درجة مئوية ومقارنتها بمكتبات الطور الغازي. وبهذه الطريقة، تم تحديد فلوريد السيليكون وفلوريد الهيدروجين. وهذا يتوافق بشكل جيد مع بيانات الأدبيات1) . ومن المفترض أن يتفاعل SiO2، الذي يُستخدم كطلاء في الواجهة المسخنة بين TGA وFT-IR، مع HF ليصبح فلوريد السيليكون المكتشف.
تم إجراء قياس TGA-FT-IR على NMP مع PVDF (الشكل 5) تحت نفس ظروف القياس. وفي ظل ظروف خاملة حتى 800 درجة مئوية، تم اكتشاف خطوتين لفقدان الكتلة بنسبة 95% و2%. أدى الاحتراق في ظل ظروف مؤكسدة أعلى من 800 درجة مئوية إلى احتراق الكربون المتحلل بالحرارة وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. تم اكتشاف فقدان كتلة بنسبة 1.2%. وباستخدام تقنية FT-IR، أمكن تحديد النواتج المنطلقة.


تم استخلاص الطيف المقاس عند درجة حرارة 155 درجة مئوية ومقارنته بمكتبة المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا لأطياف الطور الغازي (الشكل 6). تم العثور على تشابه كبير جدًا مع طيف مكتبة NMP، لذلك كان من الممكن إثبات أن NMP يتبخر ولا يتحلل أثناء التسخين. ولذلك، فمن حيث المبدأ، من الممكن إعادة تدوير NMP بعد عملية التجفيف في إنتاج البطاريات.

تم تحديد الطيف المقيس عند درجة حرارة 432 درجة مئوية، والذي كان مرتبطًا بخطوة فقدان الكتلة الثانية، على أنه إطلاق فلوريد الهيدروجين. وهكذا، تم إثبات تحلل PVDF خلال خطوة فقدان الكتلة هذه (الشكل 7).

الملخص
وبمساعدة تحليل TGA-FT-الأشعة تحت الحمراء TGA-FT-IR، من الممكن توصيف محلول نموذجي من PVDF في NMP لإنتاج البطاريات. وإلى جانب تبخر NMP، تم أيضًا تحديد تحلل PVDF بسهولة عن طريق تحليل الغاز المتطور. وبالتالي فإن اقتران TGA-FT-الأشعة تحت الحمراء مناسب أيضًا لتحليل الغازات المسببة للتآكل مثل HF.