Introducción
El aglutinante de una batería es un material polimérico que se utiliza para fijar los materiales activos, como los electrodos, a la lámina colectora. Garantiza que las partículas del electrodo permanezcan en su sitio durante los ciclos de carga y descarga, al tiempo que permite que los iones se muevan libremente. Uno de los aglutinantes más utilizados en las baterías de iones de litio es el PVDF (fluoruro de polivinilideno). Combina varias ventajas como resistencia mecánica, potencial adhesivo, estabilidad química y electroquímica, solubilidad en disolventes orgánicos y propiedad de hinchamiento con respecto al electrolito.
Las fórmulas estructurales del PVDF y el NMP se representan en la figura 1. El PVDF se aplica siempre junto con un disolvente para crear una pasta homogénea. El NMP (N-metil-2-pirrolidón) se utiliza principalmente como disolvente para el PVDF. Debido a su gran resistencia química, el NMP suele reciclarse y puede reutilizarse tras un proceso de secado. El NMP desempeña un papel fundamental, ya que permite la formación de capas homogéneas en el material del electrodo, mejorando así la calidad de los electrodos en términos de potencia, DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de energía y duración de la batería.
Condiciones de medición
Las condiciones de medición se detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición
| Instrumento | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Rango de temperatura | Temperatura ambiente a 1000°C |
| Velocidad de calentamiento | 10 K/min |
| Gas de purga | Nitrógeno y aire (40 ml/min) |
| Crisol | Al2O3, abierto (85 μl) |
Resultados de las mediciones y debate
Al principio, se investigó el PVDF puro para determinar la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, el comportamiento de descomposición y los gases desprendidos. En el segundo paso, se analizó el PVDF disuelto en NMP. Ambas muestras se calentaron a 800°C en una atmósfera inerte. Entre 800°C y 1000°C, se aplicó una atmósfera oxidante. La descomposición del PVDF puro comienza por encima de los 400°C. En total, se detectaron tres etapas de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis. Tras cambiar la atmósfera de gas a aire, se produce la combustión del Carbón pirolíticoEl carbono pirolítico es el que se genera por la pirólisis de materia orgánica en una atmósfera sin oxígeno. carbono pirolítico. La curva indica que en todos los pasos de pérdida de masa se liberan sustancias activas IR (véase la figura 2).
El gráfico tridimensional muestra todos los espectros IR medidos en correlación con la temperatura y la curva TGA; véase la figura 3.
Se extraen los espectros de gas que se producen durante la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis a 460°C y 570°C y se comparan con las bibliotecas de la fase gaseosa. De este modo, se identificaron el fluoruro de silicio y el fluoruro de hidrógeno. Esto concuerda bien con los datos de la bibliografía1) . Cabe suponer que el SiO2, que se utiliza como recubrimiento en la interfaz calentada entre TGA y FT-IR, reacciona con el HF para convertirse en el fluoruro de silicio detectado.
La medición TGA-FT-IR en NMP en combinación con PVDF (figura 5) se realizó en las mismas condiciones de medición. En condiciones inertes hasta 800°C, se detectaron dos escalones de pérdida de masa del 95% y el 2%. La combustión en condiciones oxidantes por encima de 800°C provocó la combustión del Carbón pirolíticoEl carbono pirolítico es el que se genera por la pirólisis de materia orgánica en una atmósfera sin oxígeno. carbono pirolítico y la liberación de dióxido de carbono. Se detectó una pérdida de masa del 1,2%. Mediante la técnica FT-IR fue posible identificar los productos liberados.
Se extrajo el espectro medido a 155°C y se comparó con la biblioteca de espectros en fase gaseosa del NIST (figura 6). Se encontró una similitud muy alta con el espectro de la biblioteca de NMP, por lo que se pudo demostrar que el NMP se evapora y no se descompone durante el calentamiento. En principio, por tanto, es posible reciclar el NMP tras el proceso de secado en la producción de pilas.
El espectro medido a 432°C, relacionado con el segundo paso de pérdida de masa, se identificó como la liberación de fluoruro de hidrógeno. Así, se demuestra la descomposición del PVDF durante este paso de pérdida de masa (figura 7).
Resumen
Con la ayuda del análisis TGA-FT-IR, es posible caracterizar una solución típica de PVDF en NMP para la producción de baterías. Junto con la evaporación del NMP, también se identificó fácilmente la descomposición del PVDF mediante el análisis de gases evolucionados. Por tanto, el acoplamiento TGA-FT-IR también es adecuado para analizar gases corrosivos como el HF.