Johdanto
Akkusideaine on polymeerimateriaali, jota käytetään aktiivisten materiaalien, kuten elektrodien, kiinnittämiseen keräysfolioon. Se varmistaa, että elektrodihiukkaset pysyvät paikoillaan lataus- ja purkaussyklien aikana ja että ionit voivat liikkua vapaasti. Yksi yleisimmistä litiumioniakkujen sideaineista on PVDF (polyvinyylideenifluoridi). Siinä yhdistyvät useat edut, kuten mekaaninen lujuus, adheesiopotentiaali, kemiallinen ja sähkökemiallinen stabiilisuus, liukoisuus orgaanisiin liuottimiin ja turvotusominaisuus elektrolyyttiin nähden.
PVDF:n ja NMP:n rakennekaavat on esitetty kuvassa 1. PVDF levitetään aina yhdessä liuottimen kanssa homogeenisen lietteen aikaansaamiseksi. NMP:tä (N-metyyli-2-pyrrolidoni) käytetään ensisijaisesti PVDF:n liuottimena. NMP:tä kierrätetään usein sen hyvän kemiallisen kestävyyden vuoksi, ja sitä voidaan käyttää uudelleen kuivausprosessin jälkeen. NMP:llä on ratkaiseva merkitys, koska se mahdollistaa homogeenisten kerrosten muodostumisen elektrodimateriaalille, mikä parantaa elektrodien laatua tehon, energiatiheyden ja akun käyttöiän osalta.
Mittausolosuhteet
Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Lämpötila-alue | Huoneenlämpötilasta 1000 °C:seen |
| Lämmitysnopeus | 10 K/min |
| Puhdistuskaasu | Typpi ja ilma (40 ml/min) |
| Upokas | Al2O3, avoin (85 μl) |
Mittaustulokset ja keskustelu
Aluksi tutkittiin puhdasta PVDF:ää lämpöstabiilisuuden, hajoamiskäyttäytymisen ja kehittyneiden kaasujen määrittämiseksi. Toisessa vaiheessa analysoitiin NMP:hen liuotettua PVDF:ää. Molemmat näytteet kuumennettiin 800 °C:seen inertissä ilmakehässä. 800°C ja 1000°C välillä käytettiin hapettavaa ilmakehää. Puhtaan PVDF:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen alkaa yli 400 °C:n lämpötilassa. Pyrolyysin vaiheita havaittiin yhteensä kolme. Kun kaasuilmakehä vaihdetaan ilmaan, pyrolyysihiili palaa. Käyrästä käy ilmi, että kaikissa massahäviämisvaiheissa vapautuu IR-aktiivisia aineita (ks. kuva 2).
Kolmiulotteisessa kuvaajassa esitetään kaikki mitatut IR-spektrit korreloituna lämpötilan ja TGA-käyrän kanssa; ks. kuva 3.
Pyrolyysin aikana 460 °C:ssa ja 570 °C:ssa tapahtuvan pyrolyysin aikana esiintyvät kaasuspektrit uutetaan ja niitä verrataan kaasufaasikirjastoihin. Tällä tavoin tunnistettiin piifluoridi ja fluorivety. Tämä vastaa hyvin kirjallisuustietoja1) . On oletettavaa, että SiO2, jota käytetään pinnoitteena TGA:n ja FT-IR:n välisessä lämmitetyssä rajapinnassa, reagoi HF:n kanssa ja muuttuu havaituksi piifluoridiksi.
TGA-FT-IR-mittaus NMP:lle yhdessä PVDF:n kanssa (kuva 5) tehtiin samoissa mittausolosuhteissa. Inerttiolosuhteissa 800 °C:n lämpötilaan asti havaittiin kaksi massahäviötä, 95 % ja 2 %. Palaminen hapettavissa olosuhteissa yli 800 °C:n lämpötilassa johti pyrolyyttisen hiilen palamiseen ja hiilidioksidin vapautumiseen. Massahäviö oli 1,2 %. FT-IR-tekniikan avulla oli mahdollista selvittää Identify vapautuneet tuotteet.
Mitattu 155 °C:n spektri poimittiin ja sitä verrattiin NIST:n kaasufaasispektrien kirjastoon (kuva 6). Samankaltaisuus NMP:n kirjaston spektrin kanssa oli erittäin suuri, joten voitiin osoittaa, että NMP haihtuu eikä hajoa kuumentamisen aikana. Periaatteessa NMP:tä voidaan siis kierrättää kuivausprosessin jälkeen paristojen valmistuksessa.
Mitattu spektri 432 °C:n lämpötilassa, joka liittyi toiseen massahäviövaiheeseen, tunnistettiin fluorivedyn vapautumiseksi. Näin osoitetaan PVDF:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen tämän massahäviämisvaiheen aikana (kuva 7).
Yhteenveto
TGA-FT-IR-analyysin avulla on mahdollista luonnehtia tyypillistä PVDF:n liuosta NMP:ssä akkujen valmistusta varten. NMP:n haihtumisen ohella myös PVDF:n HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen oli helppo tunnistaa kehittyneen kaasun analyysin avulla. TGA-FT-IR-kytkentä soveltuu siten hyvin myös HF:n kaltaisten syövyttävien kaasujen analysointiin.