Solvente

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 23150 (2016) Citar este artigo

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9 Altmétrica

Detalhes das métricas

Os eletrodos da bateria de íons de lítio foram fabricados usando um novo processo de pintura a pó completamente seco. Os solventes usados ​​para eletrodos fundidos convencionais foram completamente removidos. O tempo de ativação térmica foi bastante reduzido devido ao processo de evaporação de solvente que demanda tempo e recursos, necessário com a fabricação de eletrodos fundidos em pasta sendo substituída por um processo de laminação a quente. Verificou-se que o tempo de ativação térmica para induzir a ligação mecânica do polímero termoplástico às partículas de eletrodo ativo restantes é de apenas alguns segundos. A remoção do solvente e do processo de secagem permite que a produção de baterias de íon-lítio em larga escala seja mais economicamente viável em mercados como sistemas de armazenamento de energia automotivos. Compreendendo as energias de superfície de vários pós que governam a mistura de pó e a distribuição do aglutinante, os testes de ligação das partículas depositadas a seco no coletor de corrente mostram que a força de ligação é maior do que eletrodos fundidos em pasta, 148,8 kPa em comparação com 84,3 kPa. Testes eletroquímicos mostram que os novos eletrodos superam os eletrodos convencionais processados ​​em pasta, devido à distribuição diferente do aglutinante.

Eletrodos de bateria de íon de lítio comerciais são fabricados lançando uma pasta em um coletor de corrente metálico. A pasta contém material ativo, carbono condutor e aglutinante em um solvente. O aglutinante, mais comumente fluoreto de polivinilideno (PVDF), é pré-dissolvido no solvente, mais comumente N-Metil-2-pirrolidona (NMP). Durante a mistura, o aglutinante de polímero flui e reveste o material ativo e as partículas de carbono1,2,3,4,5,6,7,8,9. Depois de misturar uniformemente, a pasta resultante é lançada no coletor de corrente e deve ser seca. A evaporação do solvente para criar um eletrodo poroso seco é necessária para fabricar a bateria. A secagem pode demorar muito, com alguns eletrodos levando de 12 a 24 horas a 120 °C para secar completamente5,10. Em aplicações comerciais, um sistema de recuperação de NMP deve estar instalado durante o processo de secagem para recuperar o NMP evaporado devido ao alto custo e poluição potencial do NMP11,12. Embora o sistema de recuperação torne todo o processo mais econômico, ele requer um grande investimento de capital. Solventes menos caros e ecologicamente corretos, como pastas de base aquosa, poderiam eliminar o grande custo de capital do sistema de recuperação, mas o eletrodo ainda exigiria uma etapa de secagem que demanda tempo e energia9,10,13,14,15,16. Métodos de fabricação não convencionais também foram usados ​​para criar eletrodos de bateria. A deposição de spray eletrostático à base de solvente tem sido usada para revestir coletores de corrente com material de eletrodo17,18,19. Isso é obtido adicionando alta voltagem ao bocal de deposição e aterrando o coletor de corrente, o que faz com que o material de deposição seja atomizado no bocal e atraído para o coletor de corrente. Os eletrodos construídos com este método exibem características semelhantes aos eletrodos fundidos e têm desvantagens semelhantes, pois também requerem um processo de secagem intensivo em tempo e energia (2 horas a 400 °C)19. As baterias de íon de lítio também foram fabricadas usando técnicas de pintura em spray usando tintas à base de NMP para pulverizar cada componente do eletrodo na superfície desejada20. Embora isso permita a fabricação de baterias em uma variedade de superfícies, ainda requer que o solvente seja evaporado.

Eletrodos fabricados com partículas secas revestidas em coletores de corrente representam o processo de fabricação ideal, eliminando assim os solventes e as desvantagens de usá-los. A fabricação do eletrodo seco tem sido realizada por meio de uma variedade de métodos, como laser pulsado e deposição por pulverização catódica21,22,23,24,25,26,27. A deposição por laser pulsado é conseguida focalizando um laser em um corpo alvo contendo o material a ser depositado. Assim que o laser atinge o alvo, o material é vaporizado e depositado no substrato coletor. Embora o solvente não seja usado, o filme depositado deve ser submetido a temperaturas muito altas (650–800 °C) para recozimento do filme21,24. A deposição via pulverização catódica pode reduzir a temperatura de recozimento necessária para 350 °C27. Embora esses métodos sejam representativos da fabricação de eletrodos de bateria seca, ambos sofrem com taxas de deposição muito lentas e necessidades de alta temperatura para recozimento19.