Učinak koncentracije NMP na performanse LFP baterije

Litij željezo fosfat (LiFePO4)materijal katodne elektrodegnojnica na bazi ulja obično koristiN-metilpirolidon (NMP), dimetil sulfoksid i dimetilformamid kao otapala, koji imaju probleme kao što je teško obnavljanje otapala, velika upotreba i onečišćenje okoliša. LiFePO4 materijal pozitivne elektrode na bazi vode koristi deioniziranu vodu kao otapalo, što je ekološki prihvatljivo i jeftino, ali ploča pozitivne elektrode na bazi vode ima problema kao što su slaba fleksibilnost, slabo prianjanje aktivnih materijala i loša elektrokemijska izvedba. U ovom radu pripremljene su ploče pozitivne elektrode s različitim količinama dodatka NMP-a kako bi se proučio učinak NMP-a na performanse ploča pozitivnih elektroda pripremljenih svezivo na bazi vode LA132.

Eksperiment

Vodeno vezivo LA132, supravodljiva čađa, deionizirana voda i LiFePO4 pripremljeni su u kašu u masenom omjeru 2,5:2,5:50:40. Dodana su četiri dijela kaše s 0, 1%, 2% i 3% NMP, označenih brojevima A, B, C i D. Kalandriranje pozitivne elektrode. Sušenjem pozitivne elektrode na 100 stupnjeva u vakuumu tijekom 24 sata radi uklanjanja vode i NMP, te je pripremljena pozitivna elektroda sa sadržajem aktivnog materijala od 95%. Narežite ga na diskove promjera 20 mm. Sastavite CR2016 dugmastu ćeliju s negativnom elektrodom od litijevog metala, 1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (omjer volumena 1:1:1) elektrolit, separator od mikroporoznog polipropilena, u pretincu za rukavice ispunjenom suhim argonom.

Najprije savijte listove elektroda A, B, C i D za 180 stupnjeva, a zatim ispitajte prianjanje listova elektroda na stroju za ispitivanje rastezanja. Zatim izvršite ispitivanje žilavosti ploča elektroda na uređaju za ispitivanje žilavosti (promjeri šipki osovine su 1, 2, 3, 4, 6, 8, odnosno 10 mm) i promatrajte postoje li pukotine na površini. listova elektroda nakon namotavanja. Gustoća ispitne struje punjenja i pražnjenja baterije je 0,1C, a ispitni napon je 2,5~3,5V.

Rezultati i rasprava

Slika 1 je ispitni dijagram prianjanja LiFePO4 elektrode pri savijanju od 180 stupnjeva. Iz slike 1. vidljivo je da je prianjanje elektrode značajno poboljšano dodatkom NMP, a poboljšanje prianjanja elektrode proporcionalno je dodanoj količini NMP. Adhezija je vrsta van der Waalsove sile koja ovisi o međudjelovanju između molekula.

Tijekom procesa proizvodnje LiFePO4 listova elektroda, listovi elektroda će neizbježno doći u kontakt s kisikom u zraku. Tijekom procesa zagrijavanja, zagrijane ploče elektrode reagiraju s kisikom stvarajući kisele skupine. Kiselim skupinama nedostaju elektroni i formirat će slabe međumolekularne vodikove veze s (-CN) u vodenom vezivu. To će promijeniti tiksotropiju gnojnice, smanjiti fluidnost i uzrokovati neravnomjeran premaz gnojnice. Nakon dodavanja NMP-a, neutralizirat će kisele skupine na listovima elektroda. Može smanjiti gubitak elektrona na površini listova elektrode, spriječiti tiksotropiju kaše i povećati adheziju između veziva i kolektora struje. Mulj pozitivne elektrode je ravnomjerno raspršen i fluidnost je poboljšana, čime se poboljšava stopa iskorištenja kaše i listova elektroda. Stoga dodavanje otapala bogatog elektronima NMP može poboljšati performanse baterije.

U tablici 1. prikazani su rezultati ispitivanja fleksibilnosti četiriju vrsta ploča elektroda. Promatrajući sliku 1, može se ustanoviti da su se površinske pukotine pojavile kada je igla za namatanje promjera 6 mm testirala pozitivnu elektrodu A, a kada je ispitana igla za namatanje promjera 1 mm, elektrode B~D nisu imale površinske pukotine. Može se vidjeti da je najlošija fleksibilnost ploča pozitivne elektrode na bazi čiste vode, koja je sklona pucanju, lomljenju i kidanju tijekom pripreme. Dodavanje NMP može poboljšati fleksibilnost ploče elektrode i povećati stopu iskorištenja ploče elektrode. Čestice lateksa u vezivu LA132 jaki su polarni polimeri s jakim međumolekularnim silama i slabom sposobnošću uvijanja, a list elektrode je lako slomiti. Dodatkom NMP povećava se promjer čestica lateksa u vezivu LA132, povećava se sposobnost uvijanja, smanjuje se sposobnost rotacije molekularnog lanca, a povećava se fleksibilnost ploče elektrode.

Tablica 2 prikazuje rezultate ispitivanja elektrokemijske učinkovitosti ploče elektrode. Vrijednosti specifičnog kapaciteta prvog pražnjenja, učinkovitosti punjenja i pražnjenja, srednjeg napona pražnjenja i omjera konstantne struje u osnovi su iste. Ovo pokazuje da dodatak NMP nema utjecaja na kapacitet pražnjenja i karakteristike punjenja i pražnjenja aktivnog materijala pozitivne elektrode ploče pozitivne elektrode.

Slike 2 do 4 prikazuju odnos između omjera konstantne struje, specifičnog kapaciteta brzine pražnjenja, srednjeg napona pražnjenja i količine dodatka NMP četiri ploče elektrode.

Na slici 2 može se vidjeti da su pod istim uvjetima ispitivanja, omjeri konstantne struje punjenja četiriju baterija iznad 98,2%. Na slikama 3 i 4 može se vidjeti da specifični kapacitet pražnjenja i srednji napon iste ploče elektrode nastavljaju opadati s povećanjem brzine pražnjenja.

Kapacitet pražnjenja i srednji napon elektroda A i B u osnovi su isti pri različitim brzinama pražnjenja. Kako se brzina pražnjenja povećava, srednji napon i kapacitet pražnjenja elektroda C i D postupno rastu. Može se vidjeti da kada se NMP doda u koncentraciji ne većoj od 1%, performanse brzine pražnjenja baterije neće biti pogođene. Kada se NMP doda u koncentraciji većoj od 1%, NMP će utjecati na kapacitet pražnjenja i srednji napon pozitivne elektrode.

Slika 5 prikazuje krivulje ciklusa performansi četiri vrste baterija. Promatrajući sliku 5, može se ustanoviti da su na početku ciklusa punjenja i pražnjenja trendovi opadanja kapaciteta elektrodnih ploča A i elektrodnih ploča B slični, a trendovi opadanja kapaciteta elektrodnih ploča C i elektrodnih ploča D slični , dok su brzine raspada ploča elektrode C i ploče elektrode D veće. Kako se ciklus nastavlja, raspadanje ploča elektrode A, C i D se ubrzava, a stopa raspada ploče elektrode B ostaje u osnovi nepromijenjena. Konačna stopa zadržavanja kapaciteta baterije je ploča elektrode D＜C＜A＜B. To pokazuje da kada je količina dodanog NMP manja od 1%, korisno je poboljšati karakteristike ciklusa baterije, a kada je količina dodanog NMP veća od 1%, to će utjecati na karakteristike ciklusa baterije.

Zaključak

Prianjanje ploče pozitivne elektrode može se poboljšati dodavanjem NMP, a prianjanje postupno raste s povećanjem količine dodanog NMP. Nakon dodavanja NMP-a, kisele skupine na elektrodi bit će neutralizirane, što može smanjiti gubitak elektrona na površini elektrode, spriječiti tiksotropiju kaše, povećati adheziju veziva i kolektora struje, učiniti kašu pozitivne elektrode ravnomjerno raspršenom , i poboljšati fluidnost, čime se poboljšava iskoristivost kaše i elektrode. Kada je dodana količina NMP manja od 1%, to neće utjecati na performanse brzine pražnjenja baterije i može poboljšati karakteristike ciklusa baterije. Međutim, kada je dodana količina NMP veća od 1%, NMP će utjecati na kapacitet pražnjenja i srednji napon pozitivne elektrode i smanjiti karakteristike ciklusa baterije.