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2020-06-17

浆料配对,你做好了吗?

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从浆料的制备工艺动身,美国肯塔基州列克星敦大学福特汽车公司研讨团队研讨了两种支流的产业夹杂挨次对浆料流变行动的影响,和浆料流变与LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2(NMC)电极的布局,机器和电化学机能之间的干系。研讨发明:

1)在增添NMC之前将炭黑(CB)与聚偏二氟乙烯(PVDF)溶液夹杂能够增进凝胶状浆液的构成;枯燥凝胶状浆液后,可在NMC四周构成多孔的炭黑/PVDF团簇,这有益于取得优良的倍率机能。

2)炭黑和NMC的夹杂构成的干粉可增进炭黑与NMC外表的连系,削减PVDF中炭黑的含量,并构成液体状浆液;枯燥液体状浆液后,可在NMC外表构成致密的炭黑/PVDF层;该致密层可供给高连系强度,但能够会障碍离子迁徙并减弱电子毗连,从而降落倍率机能。成果证明了夹杂挨次在电极建造中的首要感化。


浆料配对,你做好了吗?(图1)

图1.(a)电极建造进程的优化战略。(b)制备电极浆料的夹杂挨次1和挨次2的表示图

 

尝试进程:NMC:CB:PVDF品质比92:4:8的产业程度比例,接纳2.3 mAh cm-2的方针负载程度。

挨次1:第一步将PVDF消融在NMP溶剂中,第二步将CB增添到PVDF溶液中,第三步将NMC粉末夹杂到夹杂物中。

挨次2第一步将PVDF消融在NMP溶剂中,第二步将NMC和CB粉末夹杂,第三步将PVDF溶液增添到NMC/CB粉末夹杂物中。

两种方式中坚持浆料的粘度和各组分品质不异。


电极和钮扣电池的建造:涂炭铝箔作为集流体,刮涂法制备不异厚度电极。组装CR2032型电池,利用Celgard 2400 PP隔阂,体积比EC / EMC 3:7,1M LiPF6酯类电解液。

浆料配对,你做好了吗?(图2)

图2. 浆料活动性测试


浆料流变性测试:流变性测试标明接纳挨次2二制备的浆料具备更高的活动性,在少许NMP增添的环境下可取得与挨次1类似的机能。进一步研讨标明这类成果是因为CB与NMC的干混削减了PVDF/NMP夹杂液中CB的含量,从而使浆料的粘度降落。而方式一中CB与PVDF溶液夹杂将构成凝胶状浆液并增添浆液的粘度。

浆料配对,你做好了吗?(图3)

图3. 电极的SEM图象:压延前(a-d),压延后(e-h)。(a),(b)和(e)是利用挨次1建造的电极的上外表。(c),(d)和(g)是利用挨次2建造的电极的上外表。(f)和(h)别离是用挨次1和挨次2制成的电极的底外表(KOH溶液中撤除铝集流体)


电极布局表征:

1)压延之前电极的形状,利用挨次1制备的电极具备更多的NMC颗粒,其袒露局部裸露在外,而CB和PVDF构成海绵状簇,添补NMC颗粒之间的空间。在利用挨次2制备的电极中,大大都NMC颗粒都笼盖有CB/PVDF层,在NMC颗粒之间留有较大的空地。

2)颗粒添补差别在压延进程以后加倍较着。

3)进一步将集流体撤除用以察看电极材料聚积布局,对利用挨次1制备的电极,有很多NMC颗粒不被CB和多孔PVDF/CB团簇完整包裹;相反,利用挨次2制备的电极在材料和集流体之间的界面处具备致密的PVDF/CB层。

浆料配对,你做好了吗?(图4)

图4. 两种挨次制备电极的粒子聚积模子


电极布局模子:两种夹杂挨次的对电极的影响能够懂得为:

1)在挨次1中的第二次夹杂进程中,CB纳米颗粒分起首和PVDF纤维连系构成不变的凝胶,再与插手的NMC颗粒发生强彼此感化,凝胶布局得以保留。

2)在挨次2中,CB大颗粒起首分裂,大局部颗粒在干混进程中经由进程库仑和范德华彼此感化与NMC颗粒附着;当插手了PVDF后溶液中游离的CB含量很是低,浆料的粘度降落并低于挨次1。


是以,挨次1制成的浆料的“强度”由PVDF链的缠结和CB的添补效应配合供给。挨次2制成的浆料的“强度”首要由PVDF链的缠结供给。致使挨次2制成的浆料活动性较好。在枯燥进程中,利用挨次1制得的浆料跟着NMP的蒸发,CB纳米颗粒被捕集在PVDF聚合物基质中,构成了添补NMC颗粒之间空间的多孔CB/PVDF簇。在枯燥利用挨次2制得的浆料时,附着在NMC颗粒上的CB纳米颗粒会接收PVDF,从而在NMC颗粒上构成致密的CB/PVDF层。

浆料配对,你做好了吗?(图5)

图5.两种挨次制备电极的粘结强度丈量(a)剥离强度图(b)剥离强度-延长率曲线(c)和(d)别离是剥离测试后对应于的电极外表


电极剪应力测试:用剥离尝试机丈量两种挨次制成的压延电极的剥离强度。测得挨次2制备样品(237.7 N m-1)的均匀剥离强度比挨次1样品(134.4 N m-1)的均匀剥离强度高43.5%。扫描电镜图象显现,在挨次2中构成的CB/PVDF层比挨次1更好地笼盖NMC颗粒和基底外表,经由进程增添有用打仗在电极中供给更高的内聚强度。

浆料配对,你做好了吗?(图6)

图6. 两种挨次制备电极的(a)离子电导率,(b)电子电导率和(c)倍率机能


电极电机能:接纳挨次1和挨次2所制备两种电极的离子电导率和电子电导率别离为0.11和173.17 mS cm-1, 0.05和115.93 mS cm-1电极的倍率机能显现电极在低于2C的低倍率下具备类似的机能在5C放电时,挨次1的容量为88 mAh g-1,是其初始容量的58%。挨次2的容量为44 mAh g-1,仅为其初始容量的29%。这因为挨次1制成的电极具备更高的电子和离子电导率。内涵机制能够为挨次1中NMC颗粒局部裸露,多孔PVDF/CB团簇-团簇构成了互连导电收集并添补了NMC颗粒之间的空间,从而将这些颗粒毗连起来。别的,簇的多孔布局许可锂离子穿过并达到NMC外表。是以利用挨次1制成的电极在高倍率时具备更好的机能。在挨次2中NMC外表上的CB/PVDF致密层能够会禁止离子迁徙,并在聚合物收集中留下较少的CB颗粒用于电子传导。致使较低的电子和离子电导率,电极的高倍率机能很差。

 

【研讨总结】

这项周全的研讨标明,夹杂挨次能够会在电极的流变,机器和电化学行动方面发生严重差别。所示两种夹杂方式首要差别在于导电炭黑CB的夹杂,挨次1:先将CB与PVDF溶液夹杂;挨次2:先将CB与NMC活性颗粒夹杂。成果显现挨次1起首将CB与PVDF溶液夹杂能够增进导电凝胶状浆液的构成,并且在增添NMC颗粒后,浆液仍坚持其凝胶状性子。布满CB颗粒的PVDF/NMP溶液在枯燥后能够构成多孔簇-簇的导电收集,从而供给了更好的电子离子传输才能并进步倍率机能。

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