Въведение
Свързващото вещество за батерии е полимерен материал, използван за закрепване на активни материали, като електроди, върху колекторното фолио. Той гарантира, че частиците на електродите остават на мястото си по време на циклите на зареждане и разреждане, като същевременно позволява на йоните да се движат свободно. Едно от най-често използваните свързващи вещества за литиево-йонни батерии е PVDF (поливинилиден флуорид). Той съчетава няколко предимства като механична якост, адхезивен потенциал, химична и електрохимична стабилност, разтворимост в органични разтворители и свойство за набъбване по отношение на електролита.
Структурните формули на PVDF и NMP са показани на фигура 1. PVDF се прилага винаги заедно с разтворител, за да се получи хомогенна суспензия. NMP (N-метил-2-пиролидон) се използва основно като разтворител за PVDF. Поради високата си химическа устойчивост NMP често се рециклира и може да се използва повторно след процес на сушене. NMP играе решаваща роля, тъй като дава възможност за образуване на хомогенни слоеве върху електродния материал, като по този начин подобрява качеството на електродите по отношение на мощността, енергийната плътност и живота на батериите.
Условия за измерване
Условията за измерване са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Инструмент | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Температурен диапазон | Стайна температура до 1000°C |
| Скорост на нагряване | 10 K/min |
| Прочистващ газ | Азот и въздух (40 ml/min) |
| Тигел | Al2O3, отворен (85 μl) |
Резултати от измерванията и обсъждане
В началото беше изследван чист PVDF, за да се определят термичната стабилност, поведението при разлагане и отделяните газове. На втория етап е анализиран PVDF, разтворен в NMP. И двата образеца бяха нагряти до 800 °C в инертна атмосфера. Между 800°C и 1000°C е използвана окислителна атмосфера. Разлагането на чист PVDF започва над 400°C. Бяха открити общо три етапа на пиролиза. След превключване на газовата атмосфера към въздух се извършва изгаряне на пиролитичния въглерод. Кривата показва, че при всички стъпки на загуба на маса се отделят IR активни вещества (вж. фигура 2).
Триизмерната диаграма показва всички измерени ИЧ спектри в корелация с температурата и кривата на TGA; вж. фигура 3.
Газовите спектри, възникващи по време на пиролизата при 460°C и 570°C, са извлечени и сравнени с библиотеките на газовата фаза. По този начин са идентифицирани силициев флуорид и водороден флуорид. Това е в добро съответствие с литературните данни1) . Трябва да се предположи, че SiO2, който се използва като покритие в нагретия интерфейс между TGA и FT-IR, реагира с HF, за да се превърне в открития силициев флуорид.
Измерването на TGA-FT-IR върху NMP в комбинация с PVDF (фигура 5) е извършено при същите условия на измерване. При инертни условия до 800 °C бяха открити две стъпки на загуба на маса от 95 % и 2 %. Изгарянето при окислителни условия над 800°C доведе до изгаряне на пиролитичния въглерод и отделяне на въглероден диоксид. Открита е загуба на маса от 1,2 %. С помощта на техниката FT-IR беше възможно да се идентифицират освободените продукти.
Измереният спектър при 155°C беше извлечен и сравнен с библиотеката на NIST за спектри в газова фаза (фигура 6). Беше установено много голямо сходство с библиотечния спектър на NMP, така че беше възможно да се докаже, че NMP се изпарява и не се разлага по време на нагряване. Следователно по принцип е възможно NMP да се рециклира след процеса на сушене при производството на батерии.
Измереният спектър при 432°C, който е свързан с втората стъпка на загуба на маса, е идентифициран като освобождаване на флуороводород. По този начин се демонстрира разлагането на PVDF по време на тази стъпка на загуба на маса (фигура 7).
Резюме
С помощта на TGA-FT-IR анализ е възможно да се характеризира типичен разтвор на PVDF в NMP за производство на батерии. Заедно с изпарението на NMP лесно се установява и разлагането на PVDF чрез анализ на отделените газове. По този начин TGA-FT-IR свързването е подходящо и за анализ на корозивни газове като HF.