Characterization of Lithium-Ion Battery Binders

Význam tématu

Charakterizace pojiv pro lithium-iontové baterie je klíčová pro zajištění mechanické integrity elektrod, optimalizaci elektrochemických vlastností a podporu ekologicky šetrného výrobního procesu bez organických rozpouštědel.

Cíle a přehled studie

Autoři analyzovali tři typy pojiv používaných v LIB: vodou rozpustné NaCMC, PVDF a SBR. Cílem bylo porovnat jejich chemickou strukturu, tepelné vlastnosti a stabilitu za různých atmosfér (dusík vs. vzduch) a ověřit vhodnost pro vodou založenou výrobu elektrod.

Použitá instrumentace

• FTIR: Shimadzu IRSpirit s QATR-S (diamond) k identifikaci funkčních skupin.
• TGA: Shimadzu DTG-60 (DTA-TGA) pro stanovení teploty rozkladu při 10 °C/min v dusíku i vzduchu.
• DSC: Shimadzu DSC-60 Plus dle ISO 11357-2/3 pro určení Tg, Tm a Tc při 20 °C/min v dusíku.

Hlavní výsledky a diskuse

• FTIR potvrdil přítomnost vodních absorpcí u SBR, které byly odstraněny vysušením a umožnily jasnější identifikaci pásů pod 1000 cm⁻¹.
• TGA: NaCMC se rozkládá kolem 269 °C, PVDF kolem 398 °C a SBR kolem 313 °C v dusíku. Ve vzduchu SBR rozklad probíhá při ~286 °C a PVDF vykazuje dvoufázový rozklad (defluorace a karbonizace).
• DSC: NaCMC vykazuje evaporační špičku při ~115 °C (odstranění vlhkosti), PVDF má Tg −38 °C, Tm ~164 °C a Tc ~122 °C, SBR Tg ~15,7 °C.
• Všechny pojiva jsou stabilní při výrobních teplotách elektrod 20–90 °C.

Přínosy a praktické využití metody

• FTIR umožňuje rychlou kontrolu složení pojiva a detekci nečistot.
• TGA a DSC poskytují detailní přehled o tepelné stabilitě a přechodových jevech, což je zásadní pro optimalizaci sušení a vypalování elektrod.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj nových vodou rozpustných pojiv s vyšší tepelnou stabilitou a kompatibilitou s vysoce kapacitními materiály.
• Integrace FTIR/TGA/DSC systémů pro on-line monitoring výroby baterií.
• Využití strojového učení pro predikci životnosti elektrod na základě termálních charakteristik pojiv.

Závěr

Komplexní analýza NaCMC, PVDF a SBR pomocí FTIR, TGA a DSC ukázala, že PVDF má nejvyšší tepelnou odolnost, následuje SBR a poté NaCMC. Popsané metody poskytují nezbytné informace pro návrh stabilních a ekologických elektrochemických systémů.

Reference

1. Toigo et al., Molecules 25(10):2443–2452 (2020).
2. Lee et al., Korean J Chem Eng 36(11):1940–1947 (2019).
3. Chang et al., Appl. Mater. Interfaces 11:41330–41337 (2019).
4. ISO 11357-2 (2013).
5. ISO 11357-3 (2011).
6. Courtel et al., J Power Sources 196:2128–2134 (2011).
7. Pettignano et al., Polymers 11:1227 (2019).
8. Nguyen, J Macromol Sci C 25(2):227–275 (1985).
9. FAO/WHO JECFA Compendium (2011).