リチウム電池スラリー分散剤の分散メカニズム – Taipu Technology

リチウムイオン電池の電極シートは、金属箔に電極スラリーをコーティングして作られています。電極スラリーは、有機溶媒に分散した以下の材料で構成されています: 活物質:リチウムイオンインターカレーション/デインターカレーションホスト。導電性添加剤:電子伝導を促進します。バインダー:活物質と導電性添加剤の接着に使用されます。大容量バッテリーの場合、割合を減らす必要があります...

リチウム電池スラリー分散剤の分散機構

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リチウムイオン電池の電極シートは、金属箔に電極スラリーをコーティングして作られています。電極スラリーは、有機溶媒に分散した以下の材料で構成されています。

活物質:リチウムイオンインターカレーション/デインターカレーションホスト。
導電性添加剤:電子伝導を促進します。
バインダー:活物質と導電性添加剤の接着に使用されます。

大容量電池では、活物質の割合を増やしつつ、導電性添加剤やバインダーの割合を減らす必要があります。しかし、その一方で、電池の内部抵抗を減らし、電極の機械的安定性を維持するためには、十分な電子伝導性を確保することが重要です。そのため、適量の導電性添加剤やバインダーが必要になります。このトレードオフにより、活物質と導電性添加剤の比率を最適化することが重要になります。

電極スラリー中の活物質と導電性添加剤の分散性も重要です。活物質を適切に分散させることで、電解質と各粒子の表面との接触が増加し、イオン反応が促進され、電池容量の向上に貢献します。導電性添加剤の分散度も重要です。電極スラリーの混合が不十分な場合、導電性添加剤は十分に分散できません。逆に、混合が強すぎると、形成された電子経路が破壊されます。

電極スラリーの可能な内部構造は、次のように説明できます。

(1)導電性添加剤と活性粒子の両方が十分に分散していない。

(2)導電性添加剤と活性粒子はよく分散していますが、相互作用力が弱いため、互いに分離します。

(3)導電性添加剤と活性粒子が完全に分散し、導電性添加剤が活性粒子をカプセル化し、互いに結合してネットワークを形成する構造を形成します。これが理想的なスラリー構造です。

(4)導電性添加剤が過剰に添加されていると、スラリー構造に部分的な凝集や部分的なネットワークの形成が生じることがあります。

電極の作製過程で理想的なスラリー構造が維持されれば、最終的には理想的な電極構造が形成され、電子伝導経路が確立されます。これを次の図に示します。

スラリーの分散は、高速せん断分散などの機械的方法、または分散剤を含む化学的方法によって達成できます。西安理工大学のTong Zhao教授は、いくつかの一般的な分散剤のメカニズムについて研究を行ってきました。まず、ポリエチレングリコールオクチルフェニルエーテル(Triton X-100、T-100)、ポリビニルピロリドン(PVP)、およびカルボキシメチルセルロース(CMC)の3つの典型的な分散剤の最適投与量が決定されました。続いて、LiCoO2リチウムイオン電池スラリー中の分散剤T-100、PVP、およびCMCの分散メカニズムが解明されました。

T-100、PVP、CMCの3つの代表的な分散剤の最適投与量は、それぞれa%=0.5%、b%=0.5%、c%=1.5%です。リチウムイオン電池用スラリーに分散剤を最適量添加することで、多成分スラリー懸濁液の分散性を高め、質量比の異なるスラリーと比較して優れた内部構造の形成を促進します。

分散剤T-100は、LiCoO2粒子の分散にほとんど影響を与えません。非イオン性分散剤T-100は、カーボンブラック粒子の表面に立体障害分散機構を介して作用し、カーボンブラック粒子の二次凝集を効果的に防止します。同時に、PVDF-CB二重層はLiCoO2粒子の周囲に形成される傾向があり、上図に示すように、導電性添加剤がLiCoO2粒子をスラリー内にカプセル化する構造の形成を促進します。

CMCは、静電反発のメカニズムを通じて、スラリー中の導電性添加剤粒子とLiCoO2粒子の表面に作用し、粒子間の二次凝集を効果的に防止します。導電性添加剤がLiCoO2粒子をスラリー内に封入する構造を形成します。要約すると、イオン分散剤CMCは、導電性経路、CBカプセル化LiCoO2のネットワーク構造、およびLiBスラリー中の十分に分散したCBおよびPVDFを作り出すことができます。したがって、CMCは、下の図に示すように、リチウムイオン電池スラリーで適切に構造化された内部アーキテクチャを確立し、電池の性能を向上させるための最適な選択肢です。

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