Introduzione
Il legante della batteria è un materiale polimerico utilizzato per fissare i materiali attivi, come gli elettrodi, sulla lamina del collettore. Assicura che le particelle dell'elettrodo rimangano in posizione durante i cicli di carica e scarica, consentendo agli ioni di muoversi liberamente. Uno dei leganti più comuni utilizzati per le batterie agli ioni di litio è il PVDF (fluoruro di polivinilidene). Combina diversi vantaggi come la resistenza meccanica, il potenziale adesivo, la stabilità chimica ed elettrochimica, la solubilità in solventi organici e la proprietà di rigonfiamento rispetto all'elettrolita.
Le formule strutturali del PVDF e dell'NMP sono riportate in figura 1. Il PVDF viene sempre applicato insieme a un solvente per creare un impasto omogeneo. L'NMP (N-metil-2-pirrolidone) è utilizzato principalmente come solvente per il PVDF. Grazie alla sua elevata resistenza chimica, l'NMP viene spesso riciclato e può essere riutilizzato dopo un processo di essiccazione. L'NMP svolge un ruolo fondamentale, poiché consente di ottenere strati omogenei sul materiale dell'elettrodo, migliorando così la qualità degli elettrodi in termini di potenza, densità energetica e durata della batteria.
Condizioni di misura
Le condizioni di misura sono descritte nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Strumento | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Intervallo di temperatura | Temperatura ambiente a 1000°C |
| Velocità di riscaldamento | 10 K/min |
| Gas di lavaggio | Azoto e aria (40 ml/min) |
| Crogiolo | Al2O3, aperto (85 μl) |
Risultati delle misure e discussione
All'inizio è stato analizzato il PVDF puro per determinare la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica, il comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione e i gas emessi. Nella seconda fase, è stato analizzato il PVDF disciolto in NMP. Entrambi i campioni sono stati riscaldati a 800°C in atmosfera inerte. Tra 800°C e 1000°C è stata applicata un'atmosfera ossidante. La Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del PVDF puro inizia al di sopra dei 400°C. In totale, sono state rilevate tre fasi di PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi. Dopo la commutazione dell'atmosfera di gas in aria, ha luogo la combustione del Carbonio piroliticoIl carbonio pirolitico è il carbonio generato dalla pirolisi della materia organica in un'atmosfera priva di ossigeno. carbonio pirolitico. La curva indica che per tutte le fasi di perdita di massa vengono rilasciate sostanze attive IR (vedi figura 2).
Il grafico tridimensionale mostra tutti gli spettri IR misurati in correlazione con la temperatura e la curva TGA; vedere figura 3.
Gli spettri dei gas che si verificano durante la PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi a 460°C e 570°C sono stati estratti e confrontati con le librerie della fase gassosa. In questo modo sono stati identificati il fluoruro di silicio e il fluoruro di idrogeno. Ciò è in buon accordo con i dati di letteratura1) . Si presume che il SiO2, utilizzato come rivestimento nell'interfaccia riscaldata tra TGA e FT-IR, reagisca con l'HF per diventare il fluoruro di silicio rilevato.
La misurazione TGA-FT-IR su NMP in combinazione con PVDF (figura 5) è stata eseguita nelle stesse condizioni di misurazione. In condizioni di inerzia fino a 800°C, sono state rilevate due perdite di massa del 95% e del 2%. La combustione in condizioni ossidanti sopra gli 800°C ha portato alla combustione del Carbonio piroliticoIl carbonio pirolitico è il carbonio generato dalla pirolisi della materia organica in un'atmosfera priva di ossigeno. carbonio pirolitico e al rilascio di anidride carbonica. È stata rilevata una perdita di massa dell'1,2%. Utilizzando la tecnica FT-IR, è stato possibile identificare i prodotti rilasciati.
Lo spettro misurato a 155°C è stato estratto e confrontato con la libreria NIST di spettri in fase gassosa (figura 6). È stata riscontrata un'elevata somiglianza con lo spettro di libreria dell'NMP, per cui è stato possibile dimostrare che l'NMP evapora e non si decompone durante il riscaldamento. In linea di principio, è quindi possibile riciclare l'NMP dopo il processo di essiccazione nella produzione di batterie.
Lo spettro misurato a 432°C, relativo alla seconda fase di perdita di massa, è stato identificato come il rilascio di fluoruro di idrogeno. È stata quindi dimostrata la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del PVDF durante questa fase di perdita di massa (figura 7).
Sintesi
Con l'aiuto dell'analisi TGA-FT-IR, è possibile caratterizzare una tipica soluzione di PVDF in NMP per la produzione di batterie. Oltre all'evaporazione dell'NMP, anche la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del PVDF è stata facilmente identificata dall'analisi dei gas evoluti. L'accoppiamento TGA-FT-IR è quindi adatto anche all'analisi di gas corrosivi come l'HF.