Inledning
Ett batteribindemedel är ett polymermaterial som används för att fästa aktiva material, t.ex. elektroder, på kollektorfolien. Det säkerställer att elektrodpartiklarna hålls på plats under laddnings- och urladdningscyklerna samtidigt som jonerna kan röra sig fritt. Ett av de vanligaste bindemedlen som används för litiumjonbatterier är PVDF (polyvinylidenfluorid). Det kombinerar flera fördelar som mekanisk styrka, vidhäftningspotential, kemisk och elektrokemisk stabilitet, löslighet i organiska lösningsmedel och svällningsegenskaper i förhållande till elektrolyten.
Strukturformlerna för PVDF och NMP visas i figur 1. PVDF appliceras alltid tillsammans med ett lösningsmedel för att skapa en homogen slurry. NMP (N-metyl-2-pyrrolidon) används främst som lösningsmedel för PVDF. På grund av sin höga kemiska resistens återvinns NMP ofta och kan återanvändas efter en torkningsprocess. NMP spelar en avgörande roll eftersom det möjliggör homogena skikt på elektrodmaterialet och därmed förbättrar elektrodernas kvalitet när det gäller effekt, energitäthet och batteritid.
Mätförhållanden
Mätförhållandena beskrivs närmare i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Instrument | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Temperaturområde | Rumstemperatur till 1000°C |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Spolningsgas | Kväve och luft (40 ml/min) |
| Smältdegel | Al2O3, öppen (85 μl) |
Mätresultat och diskussion
I början undersöktes ren PVDF för att bestämma den termiska stabiliteten, sönderdelningsbeteendet och de utvecklade gaserna. I det andra steget analyserades PVDF upplöst i NMP. Båda proverna upphettades till 800°C i en inert atmosfär. Mellan 800°C och 1000°C applicerades en oxiderande atmosfär. Nedbrytningen av ren PVDF börjar över 400°C. Totalt detekterades tre pyrolyssteg. Efter att gasatmosfären bytts till luft sker förbränningen av det pyrolytiska kolet. Kurvan visar att IR-aktiva ämnen frigörs vid alla massförluststeg (se figur 2).
Det 3-dimensionella diagrammet visar alla uppmätta IR-spektra i korrelation med temperaturen och TGA-kurvan; se figur 3.
De gasspektra som uppstår under PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys vid 460°C och 570°C extraheras och jämförs med gasfasbiblioteken. På detta sätt identifierades kiselfluorid och vätefluorid. Detta är i god överensstämmelse med litteraturdata1) . Det kan antas att SiO2, som används som beläggning i det uppvärmda gränssnittet mellan TGA och FT-IR, reagerar med HF för att bli den kiselfluorid som detekteras.
TGA-FT-IR-mätningen på NMP i kombination med PVDF (figur 5) utfördes under samma mätförhållanden. Under inerta förhållanden upp till 800°C detekterades två massförluststeg på 95% och 2%. Förbränningen under oxiderande förhållanden över 800°C ledde till att Pyrolytiskt kolPyrolytiskt kol är kol som bildas genom pyrolys av organiskt material i en syrefri atmosfär. pyrolytiskt kol förbrändes och koldioxid frigjordes. En massaförlust på 1,2% detekterades. Med hjälp av FT-IR-tekniken var det möjligt att Identify de frigjorda produkterna.
Det uppmätta spektrumet vid 155°C extraherades och jämfördes med NIST-biblioteket för gasfasspektra (figur 6). Mycket hög likhet med biblioteksspektret för NMP hittades, så det var möjligt att bevisa att NMP avdunstar och inte sönderdelas under uppvärmning. I princip är det därför möjligt att återvinna NMP efter torkningsprocessen vid batteritillverkning.
Det uppmätta spektrumet vid 432°C, som var relaterat till det andra massförluststeget, identifierades som frisättning av vätefluorid. Således demonstreras nedbrytningen av PVDF under detta massförluststeg (figur 7).
Sammanfattning
Med hjälp av TGA-FT-IR-analys är det möjligt att karakterisera en typisk lösning av PVDF i NMP för batteriproduktion. Tillsammans med avdunstningen av NMP kunde även nedbrytningen av PVDF lätt identifieras med hjälp av gasanalys. TGA-FT-IR-koppling är således också väl lämpad för analys av frätande gaser som HF.