Introdução
Um aglutinante de bateria é um material polimérico usado para fixar materiais ativos, como eletrodos, na folha do coletor. Ele garante que as partículas do eletrodo permaneçam no lugar durante os ciclos de carga e descarga, permitindo que os íons se movimentem livremente. Um dos aglutinantes mais comuns usados em baterias de íons de lítio é o PVDF (fluoreto de polivinilideno). Ele combina várias vantagens, como resistência mecânica, potencial adesivo, estabilidade química e eletroquímica, solubilidade em solventes orgânicos e propriedade de dilatação em relação ao eletrólito.
As fórmulas estruturais do PVDF e do NMP são mostradas na figura 1. O PVDF é sempre aplicado junto com um solvente para criar uma pasta homogênea. O NMP (N-Metil-2-pirrolidon) é usado principalmente como solvente para o PVDF. Devido à sua alta resistência química, o NMP é frequentemente reciclado e pode ser reutilizado após um processo de secagem. O NMP desempenha um papel fundamental, pois permite camadas homogêneas no material do eletrodo, melhorando assim a qualidade dos eletrodos em termos de potência, DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de energia e vida útil da bateria.
Condições de medição
As condições de medição estão detalhadas na tabela 1.
Tabela 1: Condições de medição
| Instrumento | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Faixa de temperatura | Temperatura ambiente até 1000°C |
| Taxa de aquecimento | 10 K/min |
| Gás de purga | Nitrogênio e ar (40 ml/min) |
| Cadinho | Al2O3, aberto (85 μl) |
Resultados de medição e discussão
No início, o PVDF puro foi investigado para determinar a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica, o comportamento de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição e os gases liberados. Na segunda etapa, o PVDF dissolvido em NMP foi analisado. Ambas as amostras foram aquecidas a 800°C em uma atmosfera inerte. Entre 800°C e 1000°C, foi aplicada uma atmosfera oxidante. A Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do PVDF puro começa acima de 400°C. No total, foram detectadas três etapas de PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise. Depois de mudar a atmosfera de gás para ar, ocorre a combustão do Carbono pirolíticoO carbono pirolítico é o carbono gerado pela pirólise de matéria orgânica em uma atmosfera livre de oxigênio. carbono pirolítico. A curva indica que, em todas as etapas de perda de massa, são liberadas substâncias ativas de IR (consulte a figura 2).
O gráfico tridimensional exibe todos os espectros de IV medidos em correlação com a temperatura e a curva TGA; veja a figura 3.
Os espectros de gás que ocorrem durante a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise a 460°C e 570°C são extraídos e comparados com as bibliotecas de fase de gás. Dessa forma, foram identificados o fluoreto de silício e o fluoreto de hidrogênio. Isso está de acordo com os dados da literatura1) . Supõe-se que o SiO2, que é usado como revestimento na interface aquecida entre TGA e FT-IR, reage com HF para se tornar o fluoreto de silício detectado.
A medição de TGA-FT-IR em NMP em combinação com PVDF (figura 5) foi realizada sob as mesmas condições de medição. Em condições inertes até 800°C, foram detectadas duas etapas de perda de massa de 95% e 2%. A combustão em condições oxidantes acima de 800°C levou à queima do Carbono pirolíticoO carbono pirolítico é o carbono gerado pela pirólise de matéria orgânica em uma atmosfera livre de oxigênio. carbono pirolítico e à liberação de dióxido de carbono. Foi detectada uma perda de massa de 1,2%. Usando a técnica FT-IR, foi possível identificar os produtos liberados.
O espectro medido a 155°C foi extraído e comparado com a biblioteca NIST de espectros de fase gasosa (figura 6). Foi encontrada uma semelhança muito grande com o espectro da biblioteca de NMP, de modo que foi possível provar que o NMP evapora e não se decompõe durante o aquecimento. Em princípio, é possível reciclar o NMP após o processo de secagem na produção de baterias.
O espectro medido a 432°C, que estava relacionado à segunda etapa de perda de massa, foi identificado como a liberação de fluoreto de hidrogênio. Assim, a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do PVDF durante essa etapa de perda de massa foi demonstrada (Figura 7).
Resumo
Com a ajuda da análise TGA-FT-IR, é possível caracterizar uma solução típica de PVDF em NMP para a produção de baterias. Juntamente com a evaporação do NMP, a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do PVDF também foi facilmente identificada pela análise de gás evoluído. Portanto, o acoplamento TGA-FT-IR também é adequado para a análise de gases corrosivos, como o HF.