Úvod
Pojivo baterie je polymerní materiál, který se používá k upevnění aktivních materiálů, jako jsou elektrody, na sběrnou fólii. Zajišťuje, aby částice elektrod zůstaly během nabíjecích a vybíjecích cyklů na svém místě a zároveň umožňovaly volný pohyb iontů. Jedním z nejběžnějších pojiv používaných pro lithium-iontové baterie je PVDF (polyvinylidenfluorid). Spojuje v sobě několik výhod, jako je mechanická pevnost, adhezní potenciál, chemická a elektrochemická stabilita, rozpustnost v organických rozpouštědlech a bobtnavost vůči elektrolytu.
Strukturní vzorce PVDF a NMP jsou znázorněny na obrázku 1. PVDF se vždy nanáší společně s rozpouštědlem, aby se vytvořila homogenní suspenze. Jako rozpouštědlo pro PVDF se používá především NMP (N-methyl-2-pyrrolidon). Díky své vysoké chemické odolnosti se NMP často recykluje a po vysušení může být znovu použit. NMP hraje zásadní roli, protože umožňuje vytvářet homogenní vrstvy na elektrodovém materiálu, čímž se zlepšuje kvalita elektrod z hlediska výkonu, hustoty energie a životnosti baterií.
Podmínky měření
Podmínky měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Přístroj | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Teplotní rozsah | Pokojová teplota až 1000 °C |
| Rychlost zahřívání | 10 K/min |
| Proplachovací plyn | Dusík a vzduch (40 ml/min) |
| Kelímek | Al2O3, otevřený (85 μl) |
Výsledky měření a diskuse
Na začátku byl zkoumán čistý PVDF, aby se určila Tepelná stabilitaMateriál je tepelně stabilní, pokud se vlivem teploty nerozkládá. Jedním ze způsobů, jak určit tepelnou stabilitu látky, je použití termogravimetrického analyzátoru (TGA). tepelná stabilita, chování při rozkladu a uvolňované plyny. Ve druhém kroku byl analyzován PVDF rozpuštěný v NMP. Oba vzorky byly zahřáty na 800 °C v inertní atmosféře. Mezi 800 °C a 1000 °C byla použita oxidační atmosféra. Rozklad čistého PVDF začíná nad 400 °C. Celkem byly zjištěny tři stupně pyrolýzy. Po přepnutí plynné atmosféry na vzduch dochází ke spalování pyrolytického uhlíku. Z křivky vyplývá, že při všech krocích úbytku hmoty se uvolňují IR aktivní látky (viz obrázek 2).
Trojrozměrný graf zobrazuje všechna naměřená IR spektra v korelaci s teplotou a křivkou TGA; viz obrázek 3.
Plynová spektra vznikající při pyrolýze při 460 °C a 570 °C jsou extrahována a porovnána s knihovnami plynné fáze. Tímto způsobem byl identifikován fluorid křemičitý a fluorovodík. To je v dobrém souladu s literárními údaji1) . Lze předpokládat, že SiO2, který se používá jako povlak na zahřátém rozhraní mezi TGA a FT-IR, reaguje s HF na detekovaný fluorid křemičitý.
Měření TGA-FT-IR na NMP v kombinaci s PVDF (obr. 5) bylo provedeno za stejných podmínek měření. Za inertních podmínek do 800 °C byly zjištěny dva stupně úbytku hmotnosti ve výši 95 % a 2 %. Spalování za oxidačních podmínek nad 800 °C vedlo ke spálení pyrolytického uhlíku a uvolnění oxidu uhličitého. Byl zjištěn úbytek hmotnosti 1,2 %. Pomocí techniky FT-IR bylo možné zjistit Identify uvolněných produktů.
Naměřené spektrum při 155 °C bylo extrahováno a porovnáno s knihovnou spekter plynné fáze NIST (obr. 6). Byla zjištěna velmi vysoká podobnost s knihovním spektrem NMP, takže bylo možné prokázat, že NMP se při zahřívání odpařuje a nerozkládá. V zásadě je tedy možné NMP po procesu sušení recyklovat při výrobě baterií.
Naměřené spektrum při 432 °C, které souviselo s druhým krokem ztráty hmotnosti, bylo identifikováno jako uvolňování fluorovodíku. Tím byl prokázán Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad PVDF během tohoto kroku ztráty hmotnosti (obr. 7).
Souhrn
Pomocí TGA-FT-IR analýzy je možné charakterizovat typický roztok PVDF v NMP pro výrobu baterií. Současně s OdpařováníVypařování prvku nebo sloučeniny je fázový přechod z kapalné fáze do páry. Existují dva typy vypařování: vypařování a var.odpařováním NMP byl snadno identifikován také Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad PVDF pomocí analýzy vyvíjeného plynu. Spojení TGA-FT-IR je tedy vhodné i pro analýzu korozivních plynů, jako je HF.