소개
배터리 바인더는 전극과 같은 활성 물질을 컬렉터 호일에 부착하는 데 사용되는 폴리머 소재입니다. 충전 및 방전 주기 동안 전극 입자가 제자리에 머무르면서 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다. 리튬 이온 배터리에 사용되는 가장 일반적인 바인더 중 하나는 PVDF(폴리비닐리덴 플루오르화물)입니다. 기계적 강도, 접착력, 화학적 및 전기화학적 안정성, 유기 용매에 대한 용해도, 전해질에 대한 팽창 특성 등 여러 가지 장점이 결합된 소재입니다.
PVDF와 NMP의 구조 공식은 그림 1에 나와 있습니다. PVDF는 항상 용매와 함께 도포하여 균일한 슬러리를 만듭니다. NMP(N-Methyl-2-피롤리돈)는 주로 PVDF의 용매로 사용됩니다. 내화학성이 높기 때문에 NMP는 종종 재활용되며 건조 공정 후 재사용할 수 있습니다. NMP는 전극 재료에 균일한 층을 형성하여 전력, 에너지 밀도 및 배터리 수명 측면에서 전극의 품질을 향상시키기 때문에 매우 중요한 역할을 합니다.
측정 조건
측정 조건은 표 1에 자세히 설명되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 기기 | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| 온도 범위 | 실온 ~ 1000°C |
| 가열 속도 | 10 K/min |
| 퍼지 가스 | 질소 및 공기(40ml/min) |
| 도가니 | Al2O3, 개방형(85μl) |
측정 결과 및 토론
처음에는 열 안정성, 분해 거동 및 진화 가스를 결정하기 위해 순수한 PVDF를 조사했습니다. 두 번째 단계에서는 NMP에 용해된 PVDF를 분석했습니다. 두 샘플 모두 불활성 분위기에서 800°C까지 가열했습니다. 800°C에서 1000°C 사이에는 산화 분위기가 적용되었습니다. 순수 PVDF의 분해는 400°C 이상에서 시작됩니다. 총 세 단계의 열분해가 감지되었습니다. 가스 대기를 공기로 전환한 후 열분해 탄소의 연소가 일어납니다. 곡선은 모든 질량 손실 단계에서 IR 활성 물질이 방출됨을 나타냅니다(그림 2 참조).
3차원 플롯은 측정된 모든 IR 스펙트럼을 온도 및 TGA 곡선과의 상관관계로 표시합니다(그림 3 참조).
460°C와 570°C에서 열분해하는 동안 발생하는 기체 스펙트럼을 추출하여 기체상 라이브러리와 비교합니다. 이러한 방식으로 불화규소와 불화수소가 확인되었습니다. 이는 문헌 데이터1)와 잘 일치합니다. TGA와 FT-IR 사이의 가열된 계면에서 코팅으로 사용되는 SiO2가 HF와 반응하여 검출된 불화규소가 되는 것으로 추정됩니다.
동일한 측정 조건에서 PVDF와 결합된 NMP(그림 5)에 대한 TGA-FT-IR 측정이 수행되었습니다. 800°C의 불활성 조건에서 95%와 2%의 두 가지 질량 손실 단계가 감지되었습니다. 800°C 이상의 산화 조건에서 연소하면 열분해 탄소가 연소하고 이산화탄소가 방출되었습니다. 1.2%의 질량 손실이 감지되었습니다. FT-IR 기법을 사용하여 방출된 제품을 식별할 수 있었습니다.
155°C에서 측정한 스펙트럼을 추출하여 NIST의 기체상 스펙트럼 라이브러리와 비교했습니다(그림 6). NMP의 라이브러리 스펙트럼과 매우 높은 유사성이 발견되었으므로 가열 중에 NMP가 증발하고 분해되지 않는다는 것을 증명할 수 있었습니다. 따라서 원칙적으로 배터리 생산에서 건조 공정 후 NMP를 재활용하는 것이 가능합니다.
두 번째 질량 손실 단계와 관련된 432°C에서 측정된 스펙트럼은 불화수소의 방출로 확인되었습니다. 따라서 이 질량 손실 단계에서 PVDF가 분해되는 것이 입증되었습니다(그림 7).
요약
TGA-FT-IR 분석의 도움으로 배터리 생산을 위한 NMP의 일반적인 PVDF 용액을 특성화할 수 있습니다. NMP의 증발과 함께 PVDF의 분해도 진화 가스 분석을 통해 쉽게 확인할 수 있습니다. 따라서 TGA-FT-IR 커플 링은 HF와 같은 부식성 가스를 분석하는 데에도 적합합니다.