Introducere
Un liant pentru baterii este un material polimeric utilizat pentru fixarea materialelor active, cum ar fi electrozii, pe folia colectoare. Acesta asigură că particulele de electrod rămân pe poziție în timpul ciclurilor de încărcare și descărcare, permițând în același timp ionilor să se deplaseze liber. Unul dintre cei mai comuni lianți utilizați pentru bateriile litiu-ion este PVDF (fluorură de poliviniliden). Acesta combină mai multe avantaje precum rezistența mecanică, potențialul adeziv, stabilitatea chimică și electrochimică, solubilitatea în solvenți organici și proprietatea de umflare în raport cu electrolitul.
Formulele structurale ale PVDF și NMP sunt prezentate în figura 1. PVDF este întotdeauna aplicat împreună cu un solvent pentru a crea o suspensie omogenă. NMP (N-metil-2-pirrolidon) este utilizat în principal ca solvent pentru PVDF. Datorită rezistenței sale chimice ridicate, NMP este adesea reciclat și poate fi reutilizat după un proces de uscare. NMP joacă un rol esențial, deoarece permite obținerea unor straturi omogene pe materialul electrodului, îmbunătățind astfel calitatea electrozilor în ceea ce privește puterea, densitatea energetică și durata de viață a bateriei.
Condiții de măsurare
Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Instrument | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Interval de temperatură | De la temperatura camerei la 1000°C |
| Rata de încălzire | 10 K/min |
| Gaz de purjare | Azot și aer (40 ml/min) |
| Creuzet | Al2O3, deschis (85 μl) |
Rezultatele măsurătorilor și discuții
La început, PVDF pur a fost investigat pentru a determina stabilitatea termică, comportamentul de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere și gazele dezvoltate. În a doua etapă, a fost analizat PVDF dizolvat în NMP. Ambele probe au fost încălzite la 800°C într-o atmosferă inertă. Între 800°C și 1000°C, a fost aplicată o atmosferă oxidantă. Descompunerea PVDF pur începe la peste 400°C. În total, au fost detectate trei etape de piroliză. După trecerea atmosferei de gaz la aer, are loc combustia carbonului pirolitic. Curba indică faptul că, pentru toate etapele de pierdere a masei, sunt eliberate substanțe active IR (a se vedea figura 2).
Diagrama tridimensională prezintă toate spectrele IR măsurate în corelație cu temperatura și curba TGA; a se vedea figura 3.
Spectrele gazelor care apar în timpul pirolizei la 460°C și 570°C sunt extrase și comparate cu bibliotecile de fază gazoasă. În acest fel, au fost identificate fluorura de siliciu și fluorura de hidrogen. Acest lucru este în bună concordanță cu datele din literatură1) . Trebuie presupus că SiO2, care este utilizat ca acoperire în interfața încălzită dintre TGA și FT-IR, reacționează cu HF pentru a deveni fluorura de siliciu detectată.
Măsurarea TGA-FT-IR pe NMP în combinație cu PVDF (figura 5) a fost efectuată în aceleași condiții de măsurare. În condiții inerte până la 800°C, au fost detectate două etape de pierdere de masă de 95% și 2%. Arderea în condiții oxidante de peste 800°C a dus la arderea carbonului pirolitic și la eliberarea de dioxid de carbon. A fost detectată o pierdere de masă de 1,2%. Folosind tehnica FT-IR, a fost posibilă identificarea produselor eliberate.
Spectrul măsurat la 155°C a fost extras și comparat cu biblioteca NIST de spectre în fază gazoasă (figura 6). S-a constatat o similitudine foarte mare cu spectrul NMP din bibliotecă, astfel încât a fost posibil să se demonstreze că NMP se evaporă și nu se descompune în timpul încălzirii. Prin urmare, în principiu, este posibilă reciclarea NMP după procesul de uscare în producția de baterii.
Spectrul măsurat la 432°C, care a fost legat de a doua etapă de pierdere în masă, a fost identificat ca fiind eliberarea de fluorură de hidrogen. Astfel, este demonstrată descompunerea PVDF în timpul acestei etape de pierdere în masă (figura 7).
Rezumat
Cu ajutorul analizei TGA-FT-IR, este posibilă caracterizarea unei soluții tipice de PVDF în NMP pentru producția de baterii. Împreună cu evaporarea NMP, și descompunerea PVDF a fost identificată cu ușurință prin analiza gazelor evoluate. Prin urmare, cuplajul TGA-FT-IR este, de asemenea, potrivit pentru analiza gazelor corozive precum HF.