Introduction
Un liant de batterie est un matériau polymère utilisé pour fixer les matériaux actifs, tels que les électrodes, sur la feuille collectrice. Il garantit que les particules de l'électrode restent en place pendant les cycles de charge et de décharge, tout en permettant aux ions de se déplacer librement. Le PVDF (polyfluorure de vinylidène) est l'un des liants les plus couramment utilisés pour les batteries lithium-ion. Il combine plusieurs avantages tels que la résistance mécanique, le potentiel adhésif, la stabilité chimique et électrochimique, la solubilité dans les solvants organiques et la propriété de gonflement par rapport à l'électrolyte.
Les formules structurelles du PVDF et du NMP sont présentées dans la figure 1. Le PVDF est toujours appliqué avec un solvant pour créer une pâte homogène. Le NMP (N-Méthyl-2-pyrrolidon) est principalement utilisé comme solvant pour le PVDF. En raison de sa grande résistance chimique, le NMP est souvent recyclé et peut être réutilisé après un processus de séchage. Le NMP joue un rôle essentiel, car il permet d'obtenir des couches homogènes sur le matériau d'électrode, améliorant ainsi la qualité des électrodes en termes de puissance, de densité énergétique et de durée de vie de la batterie.
Conditions de mesure
Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Plage de température | De la température ambiante à 1000 °C |
| Vitesse de chauffage | 10 K/min |
| Gaz de purge | Azote et air (40 ml/min) |
| Creuset | Al2O3, ouvert (85 μl) |
Résultats des mesures et discussion
Dans un premier temps, le PVDF pur a été étudié pour déterminer la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique, le comportement de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition et les gaz dégagés. Dans un deuxième temps, le PVDF dissous dans le NMP a été analysé. Les deux échantillons ont été chauffés à 800°C dans une atmosphère inerte. Entre 800°C et 1000°C, une atmosphère oxydante a été appliquée. La Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition du PVDF pur commence à partir de 400°C. Au total, trois étapes de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse ont été détectées. Après le passage de l'atmosphère gazeuse à l'air, la combustion du Carbone pyrolytiqueLe carbone pyrolytique est le carbone généré par la pyrolyse de matières organiques dans une atmosphère dépourvue d'oxygène. carbone pyrolytique a lieu. La courbe indique que pour toutes les étapes de perte de masse, des substances actives IR sont libérées (voir figure 2).
Le graphique tridimensionnel affiche tous les spectres IR mesurés en corrélation avec la température et la courbe TGA (voir figure 3).
Les spectres de gaz se produisant pendant la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse à 460°C et 570°C sont extraits et comparés aux bibliothèques de la phase gazeuse. Le fluorure de silicium et le fluorure d'hydrogène ont ainsi été identifiés. Cela correspond bien aux données de la littérature1) . On peut supposer que le SiO2, qui est utilisé comme revêtement dans l'interface chauffée entre TGA et FT-IR, réagit avec le HF pour devenir le fluorure de silicium détecté.
La mesure TGA-FT-IR sur le NMP en combinaison avec le PVDF (figure 5) a été réalisée dans les mêmes conditions de mesure. Dans des conditions inertes jusqu'à 800°C, deux étapes de perte de masse de 95% et 2% ont été détectées. La combustion dans des conditions oxydantes au-dessus de 800°C a conduit à la combustion du Carbone pyrolytiqueLe carbone pyrolytique est le carbone généré par la pyrolyse de matières organiques dans une atmosphère dépourvue d'oxygène. carbone pyrolytique et à la libération de dioxyde de carbone. Une perte de masse de 1,2 % a été détectée. La technique FT-IR a permis d'identifier les produits libérés.
Le spectre mesuré à 155°C a été extrait et comparé à la bibliothèque de spectres en phase gazeuse du NIST (figure 6). Une très grande similitude avec le spectre du NMP de la bibliothèque a été constatée, ce qui a permis de prouver que le NMP s'évapore et ne se décompose pas pendant le chauffage. En principe, il est donc possible de recycler le NMP après le processus de séchage dans la production de piles.
Le spectre mesuré à 432°C, lié à la deuxième étape de perte de masse, a été identifié comme la libération de fluorure d'hydrogène. Ainsi, la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition du PVDF au cours de cette étape de perte de masse est démontrée (figure 7).
Résumé
Grâce à l'analyse TGA-FT-IR, il est possible de caractériser une solution typique de PVDF dans du NMP pour la production de batteries. Parallèlement à l'évaporation de la NMP, la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition du PVDF a été facilement identifiée par l'analyse des gaz évolués. Le couplage TGA-FT-IR est donc également bien adapté à l'analyse des gaz corrosifs comme le HF.