Introduktion
Et batteribindemiddel er et polymermateriale, der bruges til at fastgøre aktive materialer, som f.eks. elektroder, på kollektorfolien. Det sikrer, at elektrodepartiklerne bliver på plads under op- og afladningscyklusser, samtidig med at ionerne kan bevæge sig frit. Et af de mest almindelige bindemidler, der bruges til litium-ion-batterier, er PVDF (polyvinylidenfluorid). Det kombinerer flere fordele som mekanisk styrke, klæbeevne, kemisk og elektrokemisk stabilitet, opløselighed i organiske opløsningsmidler og svulmende egenskaber i forhold til elektrolytten.
Strukturformlerne for PVDF og NMP er afbildet i figur 1. PVDF anvendes altid sammen med et opløsningsmiddel for at skabe en homogen opslæmning. NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon) bruges primært som opløsningsmiddel til PVDF. På grund af sin høje kemiske resistens bliver NMP ofte genbrugt og kan genanvendes efter en tørringsproces. NMP spiller en afgørende rolle, da det muliggør homogene lag på elektrodematerialet og dermed forbedrer elektrodernes kvalitet med hensyn til effekt, energitæthed og batterilevetid.
Målebetingelser
Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Instrument | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Temperaturområde | Rumtemperatur til 1000 °C |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min |
| Udrensningsgas | Nitrogen og luft (40 ml/min) |
| Digel | Al2O3, åben (85 μl) |
Måleresultater og diskussion
I begyndelsen blev ren PVDF undersøgt for at bestemme den termiske stabilitet, nedbrydningsadfærden og de udviklede gasser. I det andet trin blev PVDF opløst i NMP analyseret. Begge prøver blev opvarmet til 800 °C i en inert atmosfære. Mellem 800°C og 1000°C blev der anvendt en oxiderende atmosfære. Nedbrydningen af ren PVDF starter over 400 °C. I alt blev der registreret tre pyrolysetrin. Efter at gasatmosfæren er skiftet til luft, finder forbrændingen af det pyrolytiske kulstof sted. Kurven viser, at der for alle massetabstrin frigives IR-aktive stoffer (se figur 2).
Det 3-dimensionelle plot viser alle målte IR-spektre i korrelation med temperaturen og TGA-kurven; se figur 3.
Gasspektrene, der opstod under PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse ved 460 °C og 570 °C, blev uddraget og sammenlignet med gasfasebibliotekerne. På denne måde blev siliciumfluorid og hydrogenfluorid identificeret. Dette er i god overensstemmelse med litteraturdata1) . Det må antages, at SiO2, der bruges som belægning i den opvarmede grænseflade mellem TGA og FT-IR, reagerer med HF for at blive til det påviste siliciumfluorid.
TGA-FT-IR-målingen på NMP i kombination med PVDF (figur 5) blev udført under de samme målebetingelser. Under inerte forhold op til 800 °C blev der registreret to massetabstrin på 95 % og 2 %. Forbrændingen under oxiderende forhold over 800 °C førte til afbrænding af Pyrolytisk kulstofPyrolytisk kulstof er kulstof, der dannes ved pyrolyse af organisk materiale i en iltfri atmosfære. pyrolytisk kulstof og frigivelse af kuldioxid. Der blev registreret et massetab på 1,2 %. Ved hjælp af FT-IR-teknikken var det muligt at identificere de frigivne produkter.
Det målte spektrum ved 155 °C blev ekstraheret og sammenlignet med NIST-biblioteket med gasfasespektre (figur 6). Der blev fundet meget stor lighed med biblioteksspektret for NMP, så det var muligt at bevise, at NMP fordamper og ikke nedbrydes under opvarmning. I princippet er det derfor muligt at genbruge NMP efter tørringsprocessen i batteriproduktionen.
Det målte spektrum ved 432 °C, som var relateret til det andet massetabstrin, blev identificeret som frigivelse af hydrogenfluorid. Nedbrydningen af PVDF under dette massetabstrin er således påvist (figur 7).
Sammenfatning
Ved hjælp af TGA-FT-IR-analyse er det muligt at karakterisere en typisk opløsning af PVDF i NMP til batteriproduktion. Sammen med fordampningen af NMP blev også nedbrydningen af PVDF let identificeret ved hjælp af udviklet gasanalyse. TGA-FT-IR-kobling er således også velegnet til analyse af ætsende gasser som HF.