Новый прогресс в связующем для отрицательных материалов на основе кремния для литий-ионных аккумуляторов

Теория материала отрицательного электрода на основе кремния (Si) выше, чем емкость (4200 мАч / г), и встроенная платформа для удаления лития является более подходящей. Это идеальный материал для отрицательных электродов большой емкости для литий-ионных батарей. В процессе зарядки и разрядки изменение объема Si достигает более 300%. Внутреннее напряжение, вызванное резким изменением объема, легко приводит к измельчению и отслаиванию электрода, влияя на стабильность цикла.

В литий-ионных батареях связующее является одним из важных факторов, влияющих на стабильность структуры электрода. В зависимости от свойств дисперсионной среды связующие для литий-ионных аккумуляторов можно разделить на масляные связующие с органическими растворителями в качестве диспергаторов и связующие на водной основе с водой в качестве диспергаторов. Лю Синь и другие подвели итоги исследований связующих для отрицательного электрода большой емкости и полагали, что применение связующих, модифицированных ПВДФ, и связующих на водной основе может улучшить характеристики электрохимии отрицательного электрода большой емкости. Однако нет никакого обсуждения или сравнения связующих, используемых для кремниевого отрицательного электрода.

В этой статье рассматривается прогресс исследований связующих для отрицательных электродов на основе кремния и сравниваются преимущества и недостатки различных типов связующих.

1, маслянистое связующее

Среди масляных связующих наиболее широко используются гомополимеры и сополимеры ПВДФ.

1.1 Гомополимерное связующее из ПВДФ

При крупномасштабном производстве литий-ионных батарей PVDF обычно используется в качестве связующего, а органический растворитель N-метилпирролидон (NMP) используется в качестве диспергатора. ПВДФ обладает хорошей вязкостью и электрохимической стабильностью, но электронная и ионная проводимость оставляет желать лучшего, а органический растворитель летуч, горючий, взрывоопасный и токсичный; Более того, PVDF подключается только к материалу отрицательного электрода на основе кремния Ruofandehuali и не может адаптироваться к резким изменениям объема Si. Традиционный PVDF не подходит для материалов отрицательных электродов на основе кремния.

1.2 Связующие, модифицированные ПВДФ

Чтобы улучшить электрохимические свойства PVDF, нанесенного на материалы отрицательных электродов на основе кремния, некоторые ученые предложили методы модификации, такие как сополимеризация и термообработка. ZH Chen et al. Обнаружено, что тройной сополимер ПТФЭ-тетрафторэтилен-сополимер этилена [П (ВДФ-ТФЭ-П)] может улучшать механические свойства и вязкоупругость ПВДФ. J.Li et al. обнаружили, что термообработка при 300 ° C и защита аргоном могут улучшить дисперсию и вязкоупругость ПВДФ. Модифицированный электрод PVDF / Si имеет цикл 150 мА / г от 0,17 до 0,90 В 50 раз, а удельная емкость составляет 600 мАч / г. Электрод PVDF / Si был модифицирован, и циклические характеристики были улучшены, но циклическая стабильность все еще неудовлетворительна.

2, связующие на водной основе

По сравнению с масляными связующими, связующие на водной основе являются экологически чистыми, дешевыми и безопасными в использовании, и их постепенно продвигают. В настоящее время больше исследований в области связующих для негативных материалов на основе силикона - это натрий-карбоксиметилцеллюлоза (CMC) и полиакриловая кислота (PAA), другие связующие на водной основе.

2.1 Бутилбензольный каучук (SBR) / декарбонат карбоксиметилового волокна (CMC) связующее

SBR / CMC обладает хорошей вязкоупругостью и дисперсностью, и он широко используется в крупномасштабном производстве графитовых отрицательных электродов. W.RLiu et al. обнаружили, что электроды (SBR / CMC) / Si могут заряжаться и разряжаться при постоянной емкости 1000 мАч / г (от 0 до 1,2 В) 60 раз, а электрохимические характеристики лучше, чем у электродов PVDF / Si, но 60 циклов не полностью учитывают стабильность цикла.

2.2 Связующие КМЦ

По сравнению с SBR / CMC и PEAA / CMC, которые имеют лучшую вязкоупругость, некоторые люди думают, что неэластичные связующие CMC больше подходят для материалов отрицательных электродов на основе кремния. J.Li et al. обнаружили, что электрод CMC / Si имеет 70 циклов при напряжении от 0,17 до 0,90 В с удельной емкостью 1100 мАч / г при 150 мА / г, что превосходит электроды (SBR / CMC) / Si и PVDF / Si. B. Lestiez et al. обнаружили, что электрохимические свойства электрода из CMC / Si превосходят таковые из (PEAA / CMC) / Si электрода, потому что PEAA легко воссоединяет углеродную сажу и влияет на циклическую стабильность электрода.

Карбоксиметильная группа CMC может быть связана с Si химическими связями (ковалентными связями или связями), и сила связи является сильной, чтобы поддерживать связь между частицами Si; И CMC может образовывать покрытие, подобное маске границы раздела фаз твердого электролита (SEI) на поверхности Si, чтобы препятствовать разложению электролита.

Хотя электродные характеристики CMC как связующего являются хорошими, соотношение электродов, pH и замещение CMC (DS) - все это в разной степени влияет на электрохимические характеристики электрода CMC / Si. JS Bridel et al. обнаружили, что когда M (Si): M (C):

Связующие КМЦ имеют хорошие перспективы применения, но КМЦ обычно вязкие и хрупкие, а их мягкость оставляет желать лучшего. При зарядке и разряде электрод склонен к растрескиванию, а на CMC сильно влияют соотношение электродов, pH и другие условия. Соответствующие исследования еще должны быть глубокими. человек.

2.3 Связующее ПАК

Молекулярная структура PAA проста, легко синтезируется, растворима в воде и некоторых органических растворителях. Исследования показали, что ПАК с более высоким содержанием карбоксильных групп больше подходит для материалов кремниевых отрицательных электродов, чем КМЦ. A. Magasinski et al. обнаружили, что ПАК может не только образовывать прочную водородную связь с Si, но и формировать более однородную оболочку, чем ККМ, на поверхности Si. Электрод из ПАК / Si циркулирует при C / 2 при напряжении от 0,01 до 1,00 В 100 раз с удельной емкостью 2400 мАч / г. S. Komaba et al. обнаружили, что распределение PAA в полярной пленке было относительно однородным, и он мог образовывать подобное мембранное покрытие SEI на поверхности Si, ингибировать разложение электролита и работать лучше, чем CMC, поливиниловый спирт (PVA) и PVDF.

M. Hasegawa et al. считают, что хотя ПАК, содержащий большое количество карбоксильных групп, имеет хорошую вязкость, карбоксильные группы относительно гидрофильны и легко реагируют с остаточной водой в батарее, что влияет на производительность. Если после сушки электрода остается гидроксил или вода, PF5 (& GT; при 60 ° C), органический растворитель разлагается, и это влияет на характеристики зарядки и разрядки электрода. Если время вакуумной термообработки PAA составляет от 4 до 12 часов при 150-200 ° C, частичная конденсация карбоксильной группы PAA может не только снизить гидрофильность электрода, но также повысить структурную стабильность электрода. B. Koo et al. выполнили 2 H термообработку CMC и PAA при 150 ° C: полученный электрод c-CMC-PAA / Si был повторно использован при 1,5 А / г при 0,005 ~ 2 000 В 100 раз с удельной емкостью 1500 мАч / г.

2.4 Связующее альгината натрия

Структура альгината натрия аналогична структуре КМЦ, а карбоксильные группы расположены более равномерно. И. Коваленко и др. использовали альгинат натрия в качестве связующего для материалов отрицательных электродов на основе кремния. Приготовленный электрод альгинат натрия / Si был повторно использован 100 раз при 4,2 А / г при 0,01 ~ 1,00 В с удельной емкостью 1700 мАч / г. Электроды из CMC / Si и PVDF / Si. В настоящее время имеется не так много сообщений об альгинате натрия, и, как и PAA, альгинат натрия имеет высокое содержание карбоксильных групп и имеет сильную гидрофильную проблему.

2.5 Проводящие полимерные связующие

Связующее из проводящего полимера имеет как вязкость, так и проводимость, и может увеличивать проводимость, сохраняя при этом стабильность структуры электрода. G. Liu et al. использовали полимерную (9,9-диоктилфлуорен-копелеуранон-копиламинон-метилбензойную кислоту) (PFFOMB) для материалов отрицательных электродов на основе кремния. Электрод PFF0MB / Si был приготовлен с использованием C / 10 за цикл 0,01 ~ 1,00 В 650 раз. Удельная емкость 2100 мАч / г. H. Wu et al. синтезированы и изготовлены электроды из полианилина (PAni) / Si с плотностью 6,0 А / г при напряжении от 0,01 до 1,00 В, 5 000 циклов, с удельной емкостью 550 мАч / г.

2.6 Другие связующие

Помимо вышеуказанных связующих, в материалах отрицательных электродов на основе кремния также могут использоваться связующие, такие как карбоксиметилхитозан, полиакрилонитрил (PAN) и PVA. Готовый электрод из метилхитозана / Si циркулирует при 500 мА / г при 0,12-1,00 В 50 раз, удельная емкость составляет 950 мАч / г, электрод из PAN / Si и электрод из PVA / Si имеют C / 2 при 0,005 ~ 1,000 В 50 раз, удельная емкость поддерживается на уровне 600 мАч / г. Хотя вышеуказанные связующие могут образовывать прочные водородные связи с Si и иметь хорошую циклическую стабильность, циклическая стабильность немного хуже, чем у связующих CMC, PAA и альгината натрия.

Страница содержит содержимое машинного перевода.