راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه برای چسب‌دهنده‌ها با استفاده از کوپلیمرهای VAE

چرا کوپلیمرهای VAE در تولید الکترود کارایی هزینه‌ای برتری ارائه می‌دهند

صرفه‌جویی در مواد اولیه نسبت به سیستم‌های PVDF و CMC/SBR

جایگزینی دافع‌های قدیمی مانند PVDF یا مخلوط‌های CMC/SBR با کوپلیمرهای VAE می‌تواند هزینه‌های مواد را حدود ۱۵ تا حتی ۲۰ درصد کاهش دهد، زیرا برای هر صفحه الکترود به مقدار کمتری پلیمر نیاز است. تفاوت اصلی اینجاست که PVDF به حلال گران‌قیمت و خطرناکی به نام N-متیل-۲-پیرولیدون (NMP) نیاز دارد. اما از آنجا که VAE بر پایه آب است، شرکت‌ها در خرید، انبارداری و دفع این حلال سمی صرفه‌جویی مالی قابل توجهی انجام می‌دهند. امتیاز دیگری که این جایگزینی دارد، محافظت در برابر نوسانات شدید قیمت PVDF است که ناشی از محدودیت عرضه فلوئور و قوانین سخت‌گیرانه‌تر درباره مواد شیمیایی فلوئوردار می‌باشد. طبق برخی تحقیقات انجام‌شده توسط پونمون در سال ۲۰۲۳، کارخانه‌هایی که خطوط تولید پنج گیگاوات‌ساعتی دارند، پس از این تغییر، سالانه حدود ۷۴۰۰۰۰ دلار آمریکا در هزینه‌های مواد و حمل‌ونقل صرفه‌جویی کرده‌اند.

کاهش مصرف انرژی ناشی از فرآیند پایه‌آبی و دمای خشک‌کردن پایین‌تر

روش پردازش آبی مورد استفاده در VAE، نیاز به انرژی حرارتی را نسبت به سیستم‌های مبتنی بر حلال سنتی حدود ۴۰ درصد کاهش می‌دهد. فرآیند خشک‌کردن در دمایی حدود ۸۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود که در واقع ۵۰ تا ۶۰ درجه سردتر از دمای مورد نیاز برای تبخیر NMP در کاربردهای PVDF است. این تفاوت دما تأثیر واقعی‌ای بر مصرف برق و گاز در مرحله پخت دارد. حذف نیاز به تجهیزات بازیابی NMP نیز صرفه‌جویی در انرژی را به دنبال دارد، زیرا دیگر نیازی به برج‌های تقطیر حلال که معمولاً بین ۲۵ تا ۳۰ کیلووات‌ساعت در هر متر مکعب انرژی مصرف می‌کنند، وجود ندارد. مطالعات انجام‌شده بر روی چرخه عمر کامل نشان می‌دهند که تمام این بهبودهای کارایی، مجموعاً مقدار انرژی مورد نیاز برای تولید هر کیلووات‌ساعت باتری را حدود ۱۸ درصد کاهش می‌دهند. نکته قابل توجه این است که این امر هیچ تأثیری بر کیفیت محصول—مانند چگالی الکترود یا پیوند مناسب مواد—نمی‌گذارد.

عملکرد چسب VAE: تعادل بین پایداری الکتروشیمیایی و طول عمر سیکلی

حفظ ظرفیت بالا (>۹۲٪ پس از ۲۰۰ سیکل) در سلول‌های نیمه‌اتومی NMC622/Li

کوپلیمرهای VAE نتایج چشمگیری از خود نشان می‌دهند و حتی پس از ۲۰۰ چرخه شارژ-دشارژ در سلول‌های نیمه‌آزمایشی NMC622/لیتیوم، بیش از ۹۲٪ ظرفیت خود را حفظ می‌کنند. این مقدار در واقع حدود ۸ تا ۱۲ درصد بیشتر از آنچه که معمولاً با مواد چسب‌دهنده سنتی مشاهده می‌شود، است. دلیل این بهبود عملکرد، توزیع یکنواخت این پلیمرها و چسبندگی محکم اما انعطاف‌پذیر آن‌ها به ذرات ماده فعال است. این ویژگی به حفظ اتصال بین ذرات کمک می‌کند و از جدایی آن‌ها در طول چرخه‌های مکرر جذب و خروج لیتیوم جلوگیری می‌نماید. آنچه VAE را واقعاً متمایز می‌سازد، ماهیت الاستیک آن است که می‌تواند تا حدود ۷٪ انبساط و انقباض حجمی را در کاتد اکسید نیکل-منگنز-کبالت پیچیده تحمل کند، بدون اینکه اتصالات الکتریکی بین ذرات از بین برود. آزمون‌های انجام‌شده توسط طرف‌های ثالث این ادعاها را تأیید کرده‌اند و نشان داده‌اند که چگالی انرژی در نرخ‌های ۰٫۵C همچنان بالاتر از ۷۲۰ وات‌ساعت بر لیتر باقی می‌ماند. در مقایسه، در الکترودهای NMC622 متصل‌شده با PVDF استاندارد، عملکرد معمولاً در شرایط آزمون مشابه تنها پس از ۱۵۰ چرخه حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد کاهش می‌یابد.

تشکیل پایدار لایهٔ SEI و افزایش کم مقاومت رابطی تأییدشده توسط طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)

بررسی نتایج طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی چیز جالبی درباره الکترودهای متصل‌شده با VAE آشکار می‌سازد. این مواد لایه‌های فصلی جامد-الکترولیت (SEI) بسیار پایداری را تشکیل می‌دهند که در آن مقاومت رابط تنها پس از ۱۰۰ سیکل به حدود ۵ اهم-سانتی‌متر مربع افزایش می‌یابد. این مقدار در واقع حدود ۴۰ درصد بهتر از آنچه در سیستم‌های PVDF مشاهده می‌شود. چرا این اتفاق می‌افتد؟ به نظر می‌رسد گروه‌های هیدروکسیل موجود در VAE نقش مهمی در اینجا ایفا می‌کنند؛ این گروه‌ها به توزیع یکنواخت‌تر یون‌های لیتیوم کمک کرده و از شکست‌های محلی نامطلوب در الکترولیت جلوگیری می‌کنند که می‌توانند منجر به تشکیل دندریت‌ها شوند. مزیت دیگری نیز از پتانسیل اکسیداسیون پایین‌تر VAE ناشی می‌شود که زیر ۳٫۸ ولت نسبت به لیتیوم قرار دارد. این ویژگی واکنش‌های جانبی نامطلوب را کاهش می‌دهد، بنابراین مقاومت انتقال بار حتی پس از ۳۰۰ بار سیکل‌زنی نیز زیر ۲۵ اهم-سانتی‌متر مربع باقی می‌ماند. هنگامی که محققان مقاطع عرضی الکترودها را با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی می‌کنند، لایه‌های SEI نازک‌تر و یکنواخت‌تری را مشاهده می‌کنند. و حدس بزنید چه اتفاقی می‌افتد؟ این مشاهدات فیزیکی به‌خوبی با اعداد بالای حفظ ظرفیت که در آزمایش‌ها مشاهده شده‌اند، همخوانی دارند.

استحکام مکانیکی و انعطاف‌پذیری فرآیندی الکترودهای متصل‌شده با VAE

تحمل خارق‌العاده در خمش (>۵۰۰۰ چرخه خمش) که امکان طراحی باتری‌های انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند

واژگان VAE این مواد را دارای دوام شگفت‌انگیزی می‌کنند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که الکترودها می‌توانند هزاران بار — در واقع بیش از ۵۰۰۰ چرخه — خم شوند بدون اینکه هدایت الکتریکی‌شان کاهش یابد یا از هم جدا شوند. این ویژگی، استفاده از آن‌ها را در باتری‌های انعطاف‌پذیر به‌کاررفته در انواع کاربردها بسیار مناسب می‌سازد. به فناوری‌های پوشیدنی، صفحه‌نمایش‌های جدید قابل پیچش، و حتی تلفن‌های قابل تا شدن فکر کنید؛ جایی که الکترودهای معمولی متصل‌شده با PVDF پس از تنها چند صد بار خمش تمایل به ترک خوردن یا قطع اتصال دارند. آنچه VAE را از سایرین متمایز می‌کند، مقاومت برجسته‌اش در برابر تمام این تنش‌هاست. این ماده بهتر با هم نگه داشته می‌شود، بنابراین اتصالات الکتریکی حتی در شرایط خمش‌های مکرر نیز حفظ می‌شوند — ویژگی‌ای که برای دستگاه‌های واقعی که باید در طول استفاده روزانه انعطاف‌پذیر و متحرک باشند، اهمیت زیادی دارد.

حذف زیرساخت بازیابی NMP، سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) را حدود ۳۵٪ کاهش می‌دهد

رویکرد مبتنی بر آب که توسط VAE استفاده می‌شود، نیاز به سیستم‌های بازیابی NMP را از بین می‌برد که معمولاً حدود ۳۵ درصد از هزینه‌های شرکت‌ها برای ساخت تأسیسات تولید الکترود را تشکیل می‌دهند. و صرفه‌جویی تنها در زمینه هزینه‌ها نیست؛ بلکه تمام انواع مشکلات عملیاتی نیز حذف می‌شوند. دیگر نیازی به نگرانی درباره رعایت مقررات سخت‌گیرانه انتشار حلال‌ها نیست، طراحی‌های مقاوم در برابر انفجار که هزینه‌بر هستند دیگر لازم نیستند و بدون شک نگهداری از واحدهای پیچیده تقطیر خلأ نیز بسیار ساده‌تر می‌شود. هنگامی که این موضوع با امکان خشک‌شدن مواد در دماهای پایین‌تر ترکیب می‌شود، تولیدکنندگان خطوط تولیدی را به دست می‌آورند که نه‌تنها از نظر طراحی فشرده‌تر هستند، بلکه از نظر ایمنی نیز بسیار بالاتر هستند. این خطوط تولید همچنین سریع‌تر راه‌اندازی می‌شوند و به شرکت‌ها اجازه می‌دهند تا عملیات خود را سریع‌تر گسترش دهند، در عین حال تعادل مهم بین پایداری مناسب سوسپانسیون (سلری) و پوشش‌های با کیفیت بالا را حفظ کنند.

اجراي مقیاس‌پذیر: بررسی تناقض بازده وزن مولکولی VAE

دستیابی به توزیع مناسب وزن مولکولی هنگام مقیاس‌بندی تولید کوپلیمر VAE اهمیت بسیار زیادی دارد. وزن‌های مولکولی بالاتر قطعاً خواص چسبندگی را افزایش می‌دهند، اما این افزایش قیمتی نیز دارد. زمانی که محلول‌ها بیش از حد ویسکوز می‌شوند، یکنواختی سوسپانسیون، ثبات لایه‌نشانی و در نهایت بازده الکترودها تحت تأثیر قرار می‌گیرند. اینجا واقعاً یک تعادل ظریف وجود دارد که نیازمند کنترل دقیق در طول فرآیند سنتز است. اگر وزن‌های مولکولی بیش از حد کاهش یابند، ماده از نظر مکانیکی به‌اندازه‌کاف پایدار نخواهد بود. از سوی دیگر، ویسکوزیته‌های بسیار بالا مشکلات متعددی برای کاربردهای لایه‌نازک ایجاد می‌کنند و اغلب منجر به عیوب آزاردهنده‌ای مانند سوراخ‌های سوزنی یا تشکیل توده‌های نامنظم در ماده می‌شوند. پیشگامان segu صنعت این چالش را با تنظیم دقیق جنبه‌های مختلف فرآیند پلیمریزاسیون خود حل می‌کنند. آن‌ها مواردی مانند نرخ تغذیه مونومرها به سیستم و غلظت‌های مورد استفاده از آغازکننده‌ها را تنظیم می‌کنند. این تنظیمات به ایجاد محدوده‌ای باریک‌تر و متعادل‌تر از وزن‌های مولکولی کمک می‌کنند. نتیجه چیست؟ کمتر از ۱۰٪ تغییرات در ویسکوزیته در طول دوره‌های تولید. این بدان معناست که ضخامت الکترودها در محدوده‌ای حدود ۱٫۵ میکرومتر ثابت باقی می‌ماند و همچنین عیوب کمتری در محصول نهایی مشاهده می‌شود. و بیایید صادق باشیم: لایه‌های تمیزتر مستقیماً منجر به بازده بالاتر در مونتاژ سلول‌ها و پایداری کلی فرآیند می‌شوند.

سوالات متداول

چرا کوپلیمرهای VAE از نظر هزینه‌برتری بیشتر از PVDF هستند؟

کوپلیمرهای VAE از نظر هزینه‌برتری بیشتر هستند، زیرا برای هر صفحه الکترود به مقدار کمتری پلیمر نیاز دارند و آب‌مبنا هستند؛ بنابراین نیازی به حلال گران‌قیمت و خطرناک N-متیل-۲-پیرولیدون (NMP) وجود ندارد.

کوپلیمرهای VAE چگونه بر مصرف انرژی در ساخت الکترود تأثیر می‌گذارند؟

کوپلیمرهای VAE مصرف انرژی را نسبت به سیستم‌های مبتنی بر حلال سنتی ۴۰٪ کاهش می‌دهند، زیرا دمای فرآیند پایین‌تر است و نیازی به تجهیزات بازیابی NMP نیز نیست.

درصد حفظ ظرفیت کوپلیمرهای VAE چقدر است؟

کوپلیمرهای VAE پس از ۲۰۰ دوره شارژ-دشارژ در سلول‌های نیمه‌خودی NMC622/Li، ظرفیتی بیش از ۹۲٪ را حفظ می‌کنند و عملکرد بهتری نسبت به مواد چسب‌دهنده سنتی از خود نشان می‌دهند.

VAE چگونه پایداری لایه‌های سطحی الکترولیت جامد (SEI) را بهبود می‌بخشد؟

VAE با تشکیل لایه‌های SEI پایدار و کاهش روند افزایش مقاومت سطحی به‌دلیل گروه‌های هیدروکسیل و پتانسیل اکسیداسیون پایین‌تر، پایداری را بهبود می‌بخشد.