Икономически ефективни решения за свързващи агенти с използване на VAE кополимери

Защо VAE кополимерите осигуряват превъзхождаща икономическа ефективност при производството на електроди

Икономии от суровини спрямо PVDF и системи CMC/SBR

Замяната на старите свързващи вещества като PVDF или смеси от CMC/ SBR с VAE кополимери може значително да намали разходите за материали с около 15 до дори 20 процента, тъй като за всяка електродна листа се изисква по-малко полимер. Основната разлика е, че PVDF изисква скъп и опасен разтворител – N-метил-2-пиролидон (NMP). Тъй като VAE е водно-базиран, компаниите спестяват средства за закупуване, съхранение и премахване на този токсичен разтворител. Друго предимство е защитата срещу рязките колебания в цените на PVDF, причинени от ограничения достъп на флуор и по-строгите регулации относно флуорираните химикали. Според проучване на Ponemon от 2023 г. фабрики с производствени линии с капацитет пет гигаватчаса годишно са постигнали спестявания от около 740 000 долара годишно само за материали и транспортиране след извършването на тази замяна.

По-ниско енергийно потребление благодарение на водно-базираното производство и намалени температури за сушене

Водната обработка, използвана при VAE, намалява нуждите от топлинна енергия с около 40 % в сравнение с традиционните системи, базирани на разтворители. Процесът на сушене протича при температура около 80–90 °C, което всъщност е с 50–60 °C по-хладно от температурата, необходима за изпаряването на NMP в приложенията с PVDF. Тази разлика в температурата оказва реално влияние както върху потреблението на електрическа енергия, така и върху разхода на газ по време на етапа на отвръзване. Отстраняването на необходимостта от оборудване за възстановяване на NMP също води до спестяване на енергия, тъй като повече не се изискват кулони за дестилация на разтворител, които обикновено консумират между 25 и 30 киловатчаса на кубичен метър. Проучвания, охватващи целия жизнен цикъл, показват, че всички тези ефективностни подобрения заедно намаляват количеството енергия, необходимо за производството на всеки киловатчас батерийна мощност, с приблизително 18 %. Отличното в това е, че това не влияе негативно върху качествените параметри, като например плътността на електродите или адхезията между материалите.

Производителност на връзката VAE: Балансиране на електрохимичната стабилност и цикловия живот

Високо запазване на капацитета (>92 % след 200 цикъла) в полуелементи NMC622/Li

Кополимерите VAE показват впечатляващи резултати с удръжане на капацитета над 92 % дори след 200 цикъла на зареждане и разреждане в полуелектродни клетки NMC622/Li. Това всъщност е с около 8–12 процентни пункта по-добре от това, което обикновено се наблюдава при традиционните свързващи материали. Причината за това подобряване на експлоатационните характеристики изглежда е равномерното разпределение на тези полимери и силното, но еластично им прилепване към частиците на активния материал. Това помага да се запази връзката между частиците, вместо те да се изолират по време на многократните цикли на вмъкване и извличане на литий. Това, което прави VAE наистина отличаващ се, е неговата еластична природа, която може да поема около 7 % разширение и свиване по обем в сложните катоди от оксид на никел-манган-кобалт, без да наруши електрическите връзки между частиците. Независими трети страни потвърждават тези твърдения чрез тестове, при които енергийната плътност остава над 720 Wh/L при скорост на разреждане 0,5C. За сравнение, при стандартни електроди NMC622, свързани с PVDF, експлоатационните характеристики обикновено намаляват с 15–20 % само след 150 цикъла при сходни изпитателни условия.

Стабилно формиране на SEI и ниско нарастване на междифазното съпротивление, потвърдени чрез EIS

Анализът на резултатите от електрохимичната импедансна спектроскопия разкрива нещо интересно относно електродите, свързани с ВАЕ. Тези материали образуват изключително стабилни слоеве на твърдо-електролитен интерфейс (SEI), при което интерфейсното съпротивление нараства само до около 5 ома·см² след 100 цикъла. Това всъщност е приблизително с 40 % по-добре в сравнение със системите, базирани на PVDF. Защо се случва това? Изглежда, че хидроксилните групи в ВАЕ играят важна роля тук: те способстват за по-равномерно разпределение на йоните литий и предотвратяват онези досадни локализирани разрушения в електролита, които могат да доведат до образуване на дендрити. Друго предимство произтича от по-ниския потенциал на окисление на ВАЕ, който е под 3,8 волта спрямо лития. Тази характеристика намалява нежеланите странични реакции, така че съпротивлението на преноса на заряд остава под 25 ома·см² дори след 300 цикъла. Когато изследователите анализират напречни сечения чрез сканираща електронна микроскопия, те откриват по-тънки и по-еднородни SEI-слоеве. И какво се оказва? Тези физически наблюдения съвпадат доста добре с високите стойности на запазване на капацитета, които сме регистрирали при изпитанията.

Механична устойчивост и технологична гъвкавост на електродите с връзка от VAE

Изключителна устойчивост на огъване (>5000 цикъла на огъване), която позволява проектирането на гъвкави батерии

Свързващите агенти от VAE придават на тези материали изключителна издръжливост. Изпитанията показват, че електродите могат да се огъват хиляди пъти — всъщност повече от 5000 цикъла — без да загубят електропроводимостта си или да се отделят един от друг. Това ги прави особено подходящи за гъвкави батерии, използвани в най-различни приложения: носими технологии, новите рулонни дисплеи и дори фолдър телефони, където традиционните електроди, свързани с PVDF, обикновено се напукват или губят електрическия си контакт след само няколестотин огъвания. Това, което отличава VAE, е изключителната му устойчивост при такива механични напрежения. Материалът запазва цялостта си по-добре, като електрическите връзки остават непокътнати дори при многократно огъване — което има решаващо значение за реални устройства, които трябва да се огъват и движат в ежедневна употреба.

Отстраняването на инфраструктурата за регенерация на NMP намалява капитализираните разходи (CAPEX) с около 35 %

Водната методика, използвана от VAE, отстранява необходимостта от системи за възстановяване на NMP, които обикновено представляват около 35 % от разходите на компаниите за строителството на производствени мощности за електроди. И тук има повече от само икономия на пари. Става дума и за елиминиране на цял спектър оперативни усложнения. Няма повече тревоги относно съблюдаването на строгите регулации за емисии на разтворители, няма нужда от скъпи взривозащитни проекти и определено по-малко главоболия при поддържането на сложните вакуумни дестилационни установки. Когато това се комбинира с факта, че сушенето може да се извършва при по-ниски температури, производителите получават производствени линии, които не само са по-компактни по конструкция, но и значително по-безопасни за експлоатация. Тези линии се внедряват по-бързо, което позволява на компаниите да увеличават мащабите си по-бързо, без да жертват важния баланс между добра стабилност на суспензията и висококачествено нанасяне на покрития.

Мащабируема имплементация: Решаване на парадокса между молекулна маса и добив при VAE

Получаването на правилното разпределение по молекулна маса има голямо значение при мащабирането на производството на VAE съполимери. По-високите молекулни маси несъмнено подобряват адхезионните свойства, но това струва определена цена. Когато разтворите станат твърде вискозни, това нарушава хомогенността на суспензията, последователността на нанасянето на покритието и в крайна сметка влияе върху добива от електродите. Тук се изисква истинско балансиране, което изисква внимателен контрол по време на синтеза. Ако молекулните маси спаднат твърде ниско, материала просто не притежава достатъчна механична устойчивост. От друга страна, изключително високата вискозност поражда множество проблеми при приложенията за тънки филми, често водейки до досадни дефекти като пробойни дупки или образуване на агломерати в материала. Ръководителите в отрасъла решават тази задача чрез прецизна настройка на различни аспекти на своите процеси на полимеризация. Те коригират например скоростта, с която мономерите се подават в системата, както и концентрациите на инициаторите, които използват. Тези корекции помагат за получаване на по-тясно и по-балансирано разпределение по молекулна маса. Резултатът? Промяна във вискозитета по време на производствените цикли под 10 %. Това означава, че електродите запазват постоянна дебелина в рамките на около 1,5 микрометра, а също така се наблюдава намаляване на дефектите в крайния продукт. И нека да си го признаем — по-чистите филми директно се отразяват в по-висок добив по време на сглобяването на клетките и в по-добра обща стабилност на процеса.

ЧЗВ

Защо VAE-съполимерите са по-икономични от PVDF?

VAE-съполимерите са по-икономични, защошо изискват по-малко полимер за всеки електроден лист и са водни, което елиминира необходимостта от скъп и опасен разтворител N-метил-2-пиролидон (NMP).

Как влияят VAE-съполимерите върху енергийното потребление при производството на електроди?

VAE-съполимерите намаляват енергийното потребление с 40 % спрямо традиционните разтворими системи поради по-ниските температури на обработка и елиминирането на необходимостта от оборудване за възстановяване на NMP.

Каква е запазването на капацитета при VAE-съполимерите?

VAE-съполимерите показват запазване на капацитета над 92 % след 200 цикъла на зареждане и разреждане в NMC622/Li полуелектродни клетки, като надвишават традиционните свързващи материали.

Как VAE подобрява стабилността в слоевете на твърдия електролитен интерфейс (SEI)?

VAE подобрява стабилността чрез образуване на стабилни SEI-слоеве с по-ниско нарастване на междуслоевото съпротивление, благодарение на хидроксилните си групи и по-ниския си потенциал на окисление.