Comment l'agent conducteur influence la conductivité électronique d'un mélange de poudre et d'électrode

Les matériaux en poudre d'électrode positive et négative, les séparateurs, les électrolytes, les agents conducteurs, les liants, les collecteurs de courant, etc. sont les principales matières premières pour la fabrication des batteries lithium-ion ; la production de batteries lithium-ion consiste à transformer ces matières premières en batteries dans des conditions de processus optimales. Les modifications des paramètres de ces matières premières nécessitent une optimisation ciblée et un ajustement des conditions de traitement pour obtenir des batteries lithium-ion aux performances électriques optimales. La conception des paramètres des électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion est la clé du développement de la technologie des batteries au lithium, y compris la charge de matériau actif, la porosité, l'épaisseur et le rapport entre le matériau actif, l'agent conducteur et le liant. Parmi eux, le type, le contenu,

Dans la conception réelle du processus de feuille d'électrode, la conductivité électronique du matériau actif, en particulier le matériau d'électrode positive, est relativement faible, et le chemin de transport d'électrons est principalement réalisé par le chemin de l'agent conducteur. La figure 1 est un diagramme schématique de la microstructure d'une feuille d'électrode de lithium dans un état idéal. La conductivité électronique de la pièce polaire affecte les performances de base de la batterie, non seulement limitées aux performances de puissance de la cellule de batterie, mais affecte également les performances de fiabilité et de sécurité de la cellule de batterie. La résistance de la feuille d'électrode peut mieux évaluer les performances du réseau électroniquement conducteur ou l'uniformité de la microstructure de l'électrode pendant le processus de fabrication de l'électrode et aider à étudier et à améliorer la formulation de l'électrode et les paramètres de contrôle des processus de mélange, de revêtement et de laminage. Dans la recherche actuelle sur les batteries au lithium, de plus en plus de chercheurs prêtent attention à la conductivité électronique du niveau de la pièce polaire, et prêtent également attention à la conductivité électronique des matériaux en poudre de batterie au lithium et essaient de trouver la corrélation entre les deux, pour prédire directement la conductivité électronique de la couche d'électrode à partir du niveau de matériau en poudre.

Figure 1. Schéma de principe de la microstructure d'électrode idéale

Cet article combine principalement des matériaux en poudre de batterie lithium-ion de la série NCM523, combinés avec un liant PVDF et un agent conducteur SP pour évaluer la conductivité électronique de la poudre mélangée après le prémélange au niveau de la poudre, en même temps, la préparation de la suspension et le revêtement sont effectués sur les poudres avec le même rapport, la conductivité électronique de la pièce polaire finie est évaluée, l'influence des agents conducteurs sur la conductivité de chaque couche est clarifiée et sa corrélation est initialement explorée.

1.  Méthode d'essai

1.1  Équipement de test : utilisez le compteur de résistance de poudre de la série PRCD3100 (IEST) pour mesurer et évaluer la conductivité électrique des matériaux en poudre ; Utilisez le compteur de résistance de pièce polaire de la série BER2500 (IEST) pour évaluer la conductivité de la pièce polaire.

Figure 2. (a) Schéma de principe de l'apparence et de la structure de la série PRCD ; (b) Schéma de principe de l'apparence et de la structure de la série BER.

1.2 Préparation et test des échantillons

1.2.1 Selon : NCM : PVDF=19:1 et NCM : SP : PVDF=18:1:1 respectivement, mélanger complètement et préparer des poudres mélangées avec différents ratios NCM et effectuer un test de résistance à la poudre dans la plage de 10 à 200 MPa.

1.2.2 Préparez la bouillie selon les paramètres de rapport du tableau 1, utilisez un grattoir de 200 μm pour enduire manuellement et testez la résistance de l'électrode.

Tableau 1. Rapport de bouillie pour la préparation de l'électrode polaire

2. Résultats des tests

Le test de résistance à la poudre a été réalisé sur SP, NCM et les poudres mixtes NCM+PVDF et NCM+SP+PVDF respectivement, Il ressort des résultats des tests du tableau 2 et de la figure 3 que, peu importe à basse pression ou à haute pression, après ajout du liant PVDF à la poudre active NCM, la conductivité électronique est évidemment détériorée. Cependant, après l'ajout de SP avec une meilleure conductivité, la conductivité électronique de la poudre mélangée a été considérablement améliorée. Dans le processus d'évaluation de la conductivité électronique de la poudre active positive des batteries lithium-ion, la conduction électronique est principalement la conduction de contact entre les particules. Après avoir ajouté de la poudre de PVDF à faible conductivité électronique, la poudre de PVDF réduira la proportion de contact entre le particules actives d'origine, entraînant une modification du chemin de conduction global, qui à son tour conduira à une diminution de la conductivité électronique globale.

Le rôle de l'agent conducteur dans l'électrode de la batterie lithium-ion est de fournir un canal pour la transmission des électrons. Une quantité appropriée de la teneur en agent conducteur peut obtenir une capacité de décharge relativement élevée et de bonnes performances de cycle, si la teneur en agent conducteur est trop élevée ou trop faible, cela affectera les performances électriques. Si la teneur en agent conducteur est trop élevée, la teneur relative en matière active sera réduite, ce qui réduira la capacité spécifique de la batterie, lorsque la teneur est trop faible, il y a peu de canaux de conduction électroniques, ce qui est défavorable pour les hauts- charge et décharge de courant, et le taux d'utilisation des matériaux actifs dans l'électrode est relativement faible. D'après les résultats des tests de résistance à la poudre,

Tableau 2. Tableau de comparaison des résultats des tests de résistance à la poudre

Figure 3. Résultats des tests de résistance à la poudre dans des conditions de pression de 10 MPa et 200 MPa

Afin de clarifier davantage la corrélation de la conductivité électronique entre les matériaux, la suspension a été préparée selon le rapport du tableau 1 pour différentes poudres, et le grattoir a été utilisé pour le revêtement manuel dans les mêmes conditions. Le tableau 3 et la figure 4 montrent les résultats des tests de résistance des électrodes. La conductivité électronique de l'électrode est assez différente sous différents rapports. Par rapport au tableau 2 et à la figure 3, les résultats de résistance de la poudre mixte, au niveau de la pièce polaire, la conductivité est également rapidement améliorée après l'ajout de l'agent conducteur SP. Il est en outre clarifié que l'ajout de l'agent conducteur au niveau de la poudre prémélangée ou au niveau de la pièce polaire peut effectivement améliorer le trajet de conduction électronique. L'optimisation du rapport de l'agent conducteur est également cruciale dans la phase de développement du processus d'électrode proprement dit. La quantité d'agent conducteur est étroitement liée à la taille des particules du matériau d'agent conducteur et au rapport du matériau actif. Plus la surface spécifique du matériau actif est grande, plus la taille des particules de l'agent conducteur est grande et plus la quantité d'agent conducteur est importante, le rapport optimal doit être déterminé par des expériences systématiques basées sur le modèle théorique du percolation du réseau conducteur.

Tableau 3. Tableau de comparaison des résultats des tests de résistance des électrodes

Figure 4. Comparaison de la valeur moyenne des résultats des tests de résistance d'électrode sous différentes formules

3. Résumé

Dans cet article, l'équipement de test de résistance à la poudre de la série PRCD et l'équipement de test de résistance de la pièce polaire de la série BER sont utilisés pour évaluer systématiquement les performances de résistance des deux niveaux de mélange de poudre et d'électrode, clarifié le rôle et l'influence des agents conducteurs, et clarifié le corrélation des tendances entre différents niveaux, sur cette base, la formule du système peut être encore optimisée et les performances de la couche d'électrode peuvent être estimées de manière préliminaire à partir des performances de la poudre, fournissant une nouvelle idée pour le développement de la technologie des batteries lithium-ion.

4. Documents de référence

1. BG Westphal et al. Journal du stockage d'énergie 11 (2017) 76–85.

2. Kentaro Kuratani et al. Journal de la société électrochimique, 166 (2019) (4) A501-A506.

3. Chen YH, Wang CW, Liu G, et al. Sélection d'additifs conducteurs dans les cathodes de batterie Li-Ion [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2007, 154(10):A978.

4. Miranda D, Goren A, Costa CM et al. Simulation théorique de la relation optimale entre le matériau actif, le liant et l'additif conducteur pour les cathodes de batterie lithium-ion[J].Energy, 2019, 172(APR.1):68 -78.

5.mikoWoo@vie idéale. Théorie et base technologique des pièces polaires des batteries lithium-ion.