Inleiding
Een bindmiddel voor batterijen is een polymeermateriaal dat wordt gebruikt om actieve materialen, zoals elektroden, op de collectorfolie aan te brengen. Het zorgt ervoor dat de elektrodedeeltjes op hun plaats blijven tijdens laad- en ontlaadcycli, terwijl de ionen vrij kunnen bewegen. Een van de meest gebruikte bindmiddelen voor lithium-ion batterijen is PVDF (polyvinylideenfluoride). Het combineert verschillende voordelen zoals mechanische sterkte, kleefkracht, chemische en elektrochemische stabiliteit, oplosbaarheid in organische oplosmiddelen en zweleigenschap ten opzichte van de elektrolyt.
De structuurformules van PVDF en NMP worden weergegeven in figuur 1. PVDF wordt altijd samen met een oplosmiddel aangebracht om een homogene slurry te creëren. NMP (N-methyl-2-pyrrolidon) wordt voornamelijk gebruikt als oplosmiddel voor PVDF. Vanwege de hoge chemische bestendigheid wordt NMP vaak gerecycled en kan het na een droogproces opnieuw worden gebruikt. NMP speelt een cruciale rol omdat het homogene lagen op het elektrodemateriaal mogelijk maakt, waardoor de kwaliteit van de elektroden verbetert wat betreft vermogen, energiedichtheid en levensduur van de batterij.
Meetomstandigheden
De meetomstandigheden staan beschreven in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Instrument | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Temperatuurbereik | Kamertemperatuur tot 1000 °C |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min |
| Spoelgas | Stikstof en lucht (40 ml/min) |
| Kroes | Al2O3, open (85 μl) |
Meetresultaten en discussie
Eerst werd zuiver PVDF onderzocht om de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit, het ontledingsgedrag en de geëvolueerde gassen te bepalen. In de tweede stap werd PVDF opgelost in NMP geanalyseerd. Beide monsters werden verwarmd tot 800 °C in een inerte atmosfeer. Tussen 800°C en 1000°C werd een oxiderende atmosfeer toegepast. De ontleding van zuiver PVDF begint boven 400°C. In totaal werden drie pyrolysestappen gedetecteerd. Na het omschakelen van de gasatmosfeer naar lucht vindt de verbranding van de Pyrolytische koolstofPyrolytische koolstof is koolstof die ontstaat door pyrolyse van organisch materiaal in een zuurstofvrije atmosfeer. pyrolytische koolstof plaats. De curve geeft aan dat bij alle massaverliesstappen IR-actieve stoffen vrijkomen (zie figuur 2).
De 3-dimensionale plot toont alle gemeten IR-spectra in correlatie met de temperatuur en de TGA-curve; zie figuur 3.
De gasspectra die optreden tijdens PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse bij 460°C en 570°C worden geëxtraheerd en vergeleken met de gasfasebibliotheken. Op deze manier werden siliciumfluoride en waterstoffluoride geïdentificeerd. Dit komt goed overeen met literatuurgegevens1) . Er kan worden aangenomen dat het SiO2, dat wordt gebruikt als coating in de verwarmde interface tussen TGA en FT-IR, reageert met HF om het gedetecteerde siliciumfluoride te worden.
De TGA-FT-IR meting op NMP in combinatie met PVDF (figuur 5) werd uitgevoerd onder dezelfde meetomstandigheden. Onder inerte omstandigheden tot 800°C werden twee massaverliezen van 95% en 2% gedetecteerd. De verbranding onder oxiderende omstandigheden boven 800°C leidde tot het opbranden van Pyrolytische koolstofPyrolytische koolstof is koolstof die ontstaat door pyrolyse van organisch materiaal in een zuurstofvrije atmosfeer. pyrolytische koolstof en het vrijkomen van koolstofdioxide. Er werd een massaverlies van 1,2% gedetecteerd. Met behulp van de FT-IR techniek was het mogelijk om Identify de vrijgekomen producten te bepalen.
Het gemeten spectrum bij 155°C werd geëxtraheerd en vergeleken met de NIST-bibliotheek van gasfasespectra (figuur 6). Er werd een zeer grote overeenkomst gevonden met het spectrum van de bibliotheek van NMP, zodat kon worden aangetoond dat NMP verdampt en niet ontleedt tijdens verhitting. In principe is het daarom mogelijk om NMP na het droogproces te recyclen bij de productie van batterijen.
Het gemeten spectrum bij 432 °C, dat gerelateerd was aan de tweede massaverliesstap, werd geïdentificeerd als het vrijkomen van waterstoffluoride. De ontleding van PVDF tijdens deze massaverliesstap is dus aangetoond (figuur 7).
Samenvatting
Met behulp van TGA-FT-IR-analyse is het mogelijk om een typische oplossing van PVDF in NMP voor batterijproductie te karakteriseren. Samen met de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van NMP kon ook de afbraak van PVDF gemakkelijk worden geïdentificeerd met behulp van geëvolueerde gasanalyse. TGA-FT-IR koppeling is dus ook zeer geschikt voor het analyseren van corrosieve gassen zoals HF.