Giriş
Akü bağlayıcısı, elektrotlar gibi aktif malzemeleri kolektör folyosuna yapıştırmak için kullanılan polimer bir malzemedir. Elektrot parçacıklarının şarj ve deşarj döngüleri sırasında yerinde kalmasını sağlarken iyonların serbestçe hareket etmesine izin verir. Lityum-iyon piller için kullanılan en yaygın bağlayıcılardan biri PVDF'dir (poliviniliden florür). Mekanik mukavemet, yapışma potansiyeli, kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık, organik çözücülerde çözünürlük ve elektrolite göre şişme özelliği gibi çeşitli avantajları bir araya getirir.
PVDF ve NMP'nin yapısal formülleri şekil 1'de gösterilmiştir. PVDF her zaman homojen bir bulamaç oluşturmak için bir çözücü ile birlikte uygulanır. NMP (N-Metil-2-pirolidon) öncelikle PVDF için çözücü olarak kullanılır. Yüksek kimyasal direnci nedeniyle NMP genellikle geri dönüştürülür ve bir kurutma işleminden sonra yeniden kullanılabilir. NMP, elektrot malzemesi üzerinde homojen katmanlar sağladığı ve böylece güç, enerji yoğunluğu ve pil ömrü açısından elektrotların kalitesini artırdığı için kritik bir rol oynamaktadır.
Ölçüm Koşulları
Ölçüm koşulları tablo 1'de detaylandırılmıştır.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Enstrüman | PERSEUS® TG Libra® |
|---|---|
| Sıcaklık aralığı | Oda sıcaklığından 1000°C'ye kadar |
| Isıtma oranı | 10 K/dak |
| Tahliye gazı | Azot ve hava (40 ml/dak) |
| Pota | Al2O3, açık (85 μl) |
Ölçüm Sonuçları ve Tartışma
Başlangıçta, saf PVDF termal kararlılığı, Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma davranışını ve ortaya çıkan gazları belirlemek için incelenmiştir. İkinci adımda, NMP içinde çözünmüş PVDF analiz edilmiştir. Her iki numune de inert bir atmosferde 800°C'ye kadar ısıtılmıştır. 800°C ile 1000°C arasında oksitleyici bir atmosfer uygulanmıştır. Saf PVDF'nin ayrışması 400°C'nin üzerinde başlar. Toplamda üç PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz aşaması tespit edilmiştir. Gaz atmosferi havaya dönüştürüldükten sonra pirolitik karbonun yanması gerçekleşir. Eğri, tüm kütle kaybı adımları için IR aktif maddelerin açığa çıktığını göstermektedir (bkz. Şekil 2).
3 boyutlu grafik, ölçülen tüm IR spektrumlarını sıcaklık ve TGA eğrisi ile korelasyon halinde göstermektedir; bkz. şekil 3.
PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.Piroliz sırasında 460°C ve 570°C'de oluşan gaz spektrumları çıkarılmış ve gaz fazı kütüphaneleri ile karşılaştırılmıştır. Bu şekilde, silisyum florür ve hidrojen florür tanımlanmıştır. Bu, literatür verileriyle iyi bir uyum içindedir1) . TGA ve FT-IR arasındaki ısıtılmış arayüzde kaplama olarak kullanılan SiO2'nin HF ile reaksiyona girerek tespit edilen silisyum florür haline geldiği varsayılmalıdır.
PVDF ile birlikte NMP üzerinde TGA-FT-IR ölçümü (Şekil 5) aynı ölçüm koşulları altında gerçekleştirilmiştir. İnert koşullar altında 800°C'ye kadar, %95 ve %2'lik iki kütle kaybı adımı tespit edilmiştir. 800°C'nin üzerindeki oksitleyici koşullar altında yanma, pirolitik karbonun yanmasına ve karbondioksit salınımına yol açmıştır. 1,2'lik bir kütle kaybı tespit edilmiştir. FT-IR tekniği kullanılarak, açığa çıkan ürünleri tanımlamak mümkün olmuştur.
155°C'de ölçülen spektrum çıkarılmış ve NIST gaz fazı spektrumları kütüphanesi ile karşılaştırılmıştır (Şekil 6). NMP'nin kütüphane spektrumu ile çok yüksek benzerlik bulundu, bu nedenle NMP'nin buharlaştığını ve ısıtma sırasında ayrışmadığını kanıtlamak mümkün oldu. Bu nedenle, prensip olarak, pil üretiminde kurutma işleminden sonra NMP'yi geri dönüştürmek mümkündür.
İkinci kütle kaybı adımıyla ilgili olan 432°C'de ölçülen spektrum, hidrojen florür salınımı olarak tanımlanmıştır. Böylece, bu kütle kaybı adımı sırasında PVDF'nin ayrışması gösterilmiştir (Şekil 7).
Özet
TGA-FT-IR analizi yardımıyla, pil üretimi için NMP içindeki tipik bir PVDF çözeltisini karakterize etmek mümkündür. NMP'nin buharlaşmasının yanı sıra, PVDF'nin ayrışması da evrimleşmiş gaz analizi ile kolayca tespit edilmiştir. TGA-FT-IR bağlantısı bu nedenle HF gibi aşındırıcı gazların analizi için de çok uygundur.