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美国西北太平洋国家实验室(PNNL)David Reed:粘结剂对电池性能的影响,你知道多少?

已有 723 次阅读 2021-3-3 16:02 |系统分类:科研笔记

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【研究背景】


随着能源基础设施急于向间歇性可再生能源存储(以提高未来电网的运行效率)的转型升级,用于电网-级应用的大型储能系统正变得越来越重要。近来,锌离子电池(ZIBs)凭借其优越的特性(主要包括可选用的锌金属负极(低的氧化还原电位,-0.76 V vs. SHE)、高的理论容量(820 mAh/g)、高的比容量和安全性)获得了众多关注,尤其是在水系电解质领域。这些独特的优势使其成为目前主要供能设备——锂离子电池(LIB)的潜在替代品,以用于未来的智能电网存储和潜在的EV应用。关于电池材料,已经研究了许多水系ZIB(AZIB)的正极,如插层氧化物正极、磷酸盐、钒酸盐,普鲁士蓝类似物。另外,还研究了一些用于AZIB的有机材料。而在锌电池的开发方面,最近也报道了许多工作,包括使用高浓度电解质对锌负极进行改性的工作。此外,Wang等人还使用了混合盐包水(water-in-salt,WiSE)体系,使得无枝晶的Zn负极具有令人难以置信的循环稳定性和库仑效率。尽管AZIB领域中有关负极、正极和电解质体系的开发持续增加,但电极制备中使用的粘结剂却常常被忽视了。

粘结剂是电池电极的核心组件,对于更可持续和“绿色”的电极加工制造至关重要。粘结剂的主要功能是充当有效的分散剂,将电极物质连接在一起,然后将它们稳定地粘附到集流体上,从而为电子流动提供有效的接触。聚偏二氟乙烯(PVdF)是LIBs中最常用的粘结剂,因为其具有优异的电化学和热稳定性,并且在集流体与电极膜之间能够保持良好的粘合性。值得注意的是,使用PVdF粘结剂时,通常需要使用的有机溶剂为N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP),其价格昂贵、易挥发、易燃、有毒且可循环利用性较差。在过去的几年中,为寻找可替代的水溶性聚合物来匹配电化学性能,人们进行了大量的努力。例如,羧甲基纤维素钠(CMC)、苯乙烯丁二烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和聚酰胺酰亚胺可潜在地用水来代替有毒的有机溶剂NMP进行处理,因此可大大降低生产成本。PEG由于其低的价格、环境友好和较好的溶解性而已成功用于LIBs当中。同样,CMC也被用于高性能负极和高电压(5 V)正极(如LiNi0.4Mn1.6O4),这表明它具有较高的电化学稳定性。总之,用水处理的粘结剂的性能似乎要好于PVdF。然而,水系特性并不是这些粘结剂唯一吸引人的部分。多功能粘合剂,如聚磷酸铵,也可以阻止寄生物质的扩散,甚至在Li-S电池中起到阻燃剂的作用。这也就自然而然地产生了其他粘结剂,这增加了它们的环境友好性和低成本值。可以说,粘结剂的功能不仅仅可以用作“粘结剂”,它们还可以提供低成本的解决方案和对环境友好的电极加工工艺,同时允许具有更长的循环寿命和总体上更加安全的系统。


【成果简介】


在这项研究中,美国西北太平洋国家实验室(PNNL)David Reed/Hee Jung Chang团队在温和的水系电解质条件下,针对Zn/MnO2体系,对各种水系粘结剂(包括CMC、藻酸钠盐、CMC和PVA的混合物)进行了评估,并将其与常规MnO2/PVdF体系进行比较。研究发现:水溶性粘结剂可以保持稳定,并在某些pH值(3.5-5)下具有理想的附着力而不会分解。电化学数据表明,与具有PVdF粘结剂的电池相比,具有CMC粘结剂的电池具有更高的容量利用率,且电池超电势较低。

相关研究成果以题为“Effects of water‐ased binders on electrochemical performance of manganese dioxide cathode in mild aqueous zinc batteries”发表在Carbon Energy期刊上。


【内容概述】


表1.  粘结剂材料

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图1.  具有不同粘结剂的电解二氧化锰(EMD)电极的粘合强度、润湿性和稳定性测试。


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图2.  具有不同粘合剂的电解二氧化锰(EMD)/Zn电池的电化学性能。


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图3.  Zn/电解二氧化锰电池在1M ZnSO4中的Nyquist曲线。


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图4.  具有不同粘结剂的电解二氧化锰(EMD)表面的扫描电子显微镜图像。


【小结】


总而言之,开发具有成本效益、完全可持续且对环境无害的粘结剂对电池行业至关重要,因为它直接影响了电池的寿命和大规模的电池制造工艺。在这项研究中,作者研究了水系粘结剂,并通过各种方法将其与常规PVdF粘结剂进行了比较。研究数据表明,对于Zn-MnO2系统,水系粘合剂的应用适合长期使用的弱酸性电解质,因为它们表现出强的粘合性、高的亲水性和良好的化学稳定性。在水系粘结剂中,与具有PVdF粘结剂的电池(B1)相比,具有CMC粘合剂(B2)的电池具有更高的容量利用率,且电池超电势较低。而且,发现由于高的活性表面积,具有均匀颗粒分布的多孔结构与具有更好的循环性能直接相关。总之,该研究不仅证明CMC是温和的Zn-MnO2水系体系的有效粘结剂,而且还可以为固定能源应用提供无毒、无腐蚀和低成本的技术。


相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文

论文标题:

Effects of water‐ased binders on electrochemical performance of manganese dioxide cathode in mild aqueous zinc batteries

论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.84

DOI:10.1002/cey2.84




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