VAE кополимерлерін қолдану арқылы тиімді байланыстырушы шешімдер

Неге VAE-копериметрлер электродтарды өндіруде жоғары деңгейде құн тиімділігін қамтамасыз етеді

PVDF және CMC/SBR жүйелерімен салыстырғандағы шикізат үнемі

PVDF немесе CMC/SBR қоспалары сияқты көне байланыстырғыштарды VAE кополимерлерімен ауыстыру электрод парағына әрбіріне кемінде полимердің аз мөлшерін қажет еткендіктен, материалдық шығындарды шамамен 15 пайыздан, тіпті 20 пайызға дейін төмендетуге мүмкіндік береді. Бұнда негізгі айырым PVDF-тің қымбат және қауіпті N-метил-2-пирролидон (NMP) еріткішін қажет етуінде. Ал VAE су негізіндегі болғандықтан, компаниялар улы еріткішті сатып алу, сақтау және жою бойынша шығындарды үнемдейді. Табиғи фтор ресурстарының шектеулілігі мен фторлы химиялық заттарға қойылатын қатаң қауіпсіздік талаптары салдарынан PVDF бағасындағы кенеттен болатын тербелістерге қарсы қорғаныс құрғанда да VAE кополимерлерінің қолданылуы артықшылық береді. Ponemon институтының 2023 жылғы зерттеулеріне сәйкес, бес гигаватт-сағаттық өндірістік жолдарын жүргізетін зауыттар ауысу нәтижесінде жылына шамамен жеті жүз қырық мың долларға тең материалдар мен жеткізу шығындарын үнемдеген.

Су негізіндегі өңдеу процесінен туындайтын төмен энергиялық тұтыну және кептіру температурасының төмендеуі

VAE-де қолданылатын сулы өңдеу әдісі дәстүрлі еріткішке негізделген жүйелермен салыстырғанда жылу энергиясының қажеттілігін шамамен 40% азайтады. Кептіру процесі 80–90 °C температурада жүзеге асады, бұл PVDF қолданысында NMP-дың булануы үшін қажетті температурадан 50–60 °C төмен. Бұл температура айырымы күйдіру кезеңіндегі электр мен газдың тұтынуына нақты әсер етеді. NMP-ды қайта өңдеу жабдықтарына деген қажеттіліктің жоғалуы да энергияны үнемдейді, өйткені осындай еріткіштің айдату қондырғылары (әдетте кубометрға 25–30 киловатт-сағат энергия тұтынатын) қажет емес болып қалады. Толық өмірлік цикл бойынша жүргізілген зерттеулер барлық осы тиімділік жетістіктерінің жиынтығы батарея өндірісінің әрбір киловатт-сағатына қажетті энергия мөлшерін шамамен 18% азайтатынын көрсетеді. Осының құндылығы — электродтың тығыздығы немесе материалдардың бір-біріне жақсы жабысу сапасы сияқты сапа көрсеткіштеріне ешқандай әсер етпеуінде.

VAE байланыстырғышының өнімділігі: Электрохимиялық тұрақтылық пен циклдық өмірді теңестіру

NMC622/Li жартылай ұяшықтарында жоғары сыйымдылық сақталуы (>200 циклдан кейін 92%-дан астам)

VAE кополимерлері NMC622/Li жартылай элементтерде 200 рет зарядтау-разрядтау циклынан кейін 92%-дан астам сыйымдылық сақталуын көрсетеді. Бұл шынында да дәстүрлі байланыстырғыш материалдармен әдетте бақыланатын нәтижеге қарағанда 8–12 пайызға жоғары. Бұл өнімділіктің артуының себебі, осы полимерлердің активті материал бөлшектеріне біркелкі таралып, берік, бірақ икемді түрде жабысуында. Бұл бөлшектерді литийді енгізу мен шығару циклы кезінде бір-бірінен бөлінбей, біріктіріп тұруға көмектеседі. VAE-ді шынымен ерекшелейтін нәрсе — оның серпімділігі, яғни күрделі никель-марганец-кобальт оксиді катодтарында бөлшектер арасындағы электрлік байланыстарды бұзбай, шамамен 7% көлемдік кеңею мен сығылуға төзуге қабілеттілігі. Тараптардың үшінші жағынан жүргізілген сынақтар осы тұжырымдарды растайды: 0,5C жылдамдығында энергия тығыздығы 720 Вт·сағ/л-ден асады. Салыстыру үшін, дәстүрлі PVDF байланыстырғышымен жасалған NMC622 электродтарында ұқсас сынақ шарттарында 150 цикл ішінде өнімділік әдетте 15–20% төмендейді.

ЭИС арқылы тұрақты SEI түзілуі мен төмен интерфейстік кедергі өсуі расталды

Электрохимиялық импедансты спектроскопия нәтижелерін қарағанда VAE-байланысқан электродтар туралы қызықты нәрсе анықталады. Бұл материалдар өте тұрақты қатты электролиттік аралық фаза қабаттарын түзеді, мұнда аралық кедергі 100 циклдан кейін шамамен 5 Ом·см²-ге дейін ғана өседі. Бұл PVDF жүйелерімен салыстырғанда шамамен 40% жақсырақ көрсеткіш. Неге осылай болады? Себебі, VAE-дегі гидроксил топтары осы жерде маңызды рөл атқарады. Олар литий иондарының біркелкі таралуына көмектеседі және электролиттегі локальды бұзылулардың пайда болуын болдырмауға ықпал етеді, ал бұл дендриттердің түзілуіне әкелуі мүмкін. Тағы бір артықшылық — VAE-дің төмен тотығу потенциалынан туындайды, ол литийге қатысты 3,8 В-тан төмен орналасқан. Бұл сипаттама қосымша жанама реакцияларды азайтады, сондықтан зарядтың берілу кедергісі 300 рет циклдан кейін де 25 Ом·см²-ден төмен қалады. Зерттеушілер сканирлеуші электронды микроскопия арқылы көлденең қималарды зерттегенде, жұқа және біркелкі SEI қабаттарын бақылайды. Ал қандай қызықты нәрсе? Бұл физикалық бақылаулар сынақтарда көрініп жүрген жоғары сыйымдылық сақталу көрсеткіштерімен өте жақсы сәйкес келеді.

VAE-байланыстырылған электродтардың механикалық беріктігі мен өңдеу гибкілігі

Иілу кезіндегі ерекше төзімділік (>5 000 иілу циклы) — иілгіш аккумуляторлардың жобалануын қамтамасыз етеді

VAE байланыстырғыштары осы материалдарға таңғаларлық тұрақтылық береді. Сынақтар көрсеткендей, электродтар өз өткізгіштіктерін жоғалтпай немесе бөлінбей мыңдаған рет иілуге төзеді — нақты айтқанда, 5 000-нан астам иілу циклы. Бұл оларды әртүрлі қолданыста қолданылатын иілгіш аккумуляторлар үшін өте тиімді етеді. Мысалы, киімге салынатын технологиялар, жаңа типтегі орамаланатын экрандар немесе бүктелетін телефондар туралы ойланыңыз — мұндай құрылғыларда дәстүрлі PVDF байланыстырғыштармен жасалған электродтар бірнеше жүздеген иілуден кейін трещиналарға ұшырап немесе электрлік байланысын жоғалтады. VAE-ның ерекшелігі — бұл барлық механикалық кернеу кезінде қаншалықты берік қалатындығында. Материал құрылымы ұзақ уақыт бойы сақталады, сондықтан электрлік байланыс қайталанып иілген кезде де сақталады, бұл күнделікті пайдалану кезінде иілу мен қозғалысқа ұшырайтын құрылғылар үшін өте маңызды.

NMP-ны қалпына келтіру инфрақұрылымын жою арқылы капиталдық шығындар (CAPEX) шамамен 35% азаяды

VAE компаниясы қолданатын су негізіндегі әдіс электрод өндірісінің өндірістік ғимараттарын салуға кететін шығындардың шамамен 35%-ын құрайтын NMP-ны қайта өңдеу жүйелерінің қажеттілігін жояды. Бұл тек ақшаны үнемдеуге ғана емес, сонымен қатар әртүрлі операциялық қиындықтарды да жоюға мүмкіндік береді. Енді еріткіштердің шығуы бойынша қатаң нормаларға сай келу туралы қамы болмайды, қымбат тұратын жарылысқа төзімді конструкциялардың қажеттілігі де жоғалады, сонымен қатар күрделі вакуумдық дистилляция қондырғыларын ұстауға байланысты қиындықтар да азаяды. Сонымен қатар, қоспалар төмен температурада кептіріле алатындығын ескерсеңіз, өндірушілер құрылымы жиырылған және пайдалануға әлдеқайда қауіпсіз өндіріс сызықтарын алады. Бұл сызықтар тез орнатылады, сондықтан компаниялар өз іс-әрекеттерін тез масштабтауға мүмкіндік алады, бірақ сонымен қатар жақсы суспензия тұрақтылығы мен жоғары сапалы қабықшалар арасындағы маңызды тепе-теңдікті сақтайды.

Масштабталатын іске асыру: VAE молекулалық массасы мен шығымының парадоксын шешу

VAE кополимерін өндірудің масштабын кеңейткен кезде дұрыс молекулалық масса үлестірілуін алу өте маңызды. Жоғары молекулалық массалар адыгезия қасиеттерін нақты жақсартады, бірақ олар белгілі бір құнын төлейді. Егер ерітінділер тым тұтқыр болса, бұл суспензияның біртектілігін, қаптау қабатының тұрақтылығын бұзады және соңында электродтардың шығымына әсер етеді. Бұл — синтез кезінде ұқыпты бақылау қажет ететін нағыз тепе-теңдік. Егер молекулалық массалар тым төмендесе, материал механикалық тұрғыдан жеткілікті дәрежеде біріктірілмей қалады. Ал керісінше, өте жоғары тұтқырлық тонкий пленкалық қолданыстар үшін әртүрлі проблемалар туғызады, нәтижесінде материалда тесікшелер немесе қоспалар түріндегі қателер пайда болады. Саланың лидерлері бұл шығысқа полимерлену процесінің әртүрлі аспектілерін дәл реттеу арқылы қол жеткізеді. Олар мономерлерді жүйеге қандай жылдамдықпен беретінін және инициаторлардың қандай концентрациясын қолданатынын реттейді. Бұл реттеулер молекулалық массалардың тарылып, теңестірілген ауқымын құруға көмектеседі. Нәтижесінде өндіріс циклы бойынша тұтқырлықта 10%-тан аспайтын ауытқу болады. Бұл электродтардың қалыңдығын шамамен 1,5 микрометр шегінде тұрақты ұстауын қамтамасыз етеді, сонымен қатар соңғы өнімде ақаулар саны азаяды. Біз таза пленкалардың жасалуы тікелей ұяшықтарды жинау кезіндегі шығымдылық пен барлық процестің тұрақтылығын жақсартатынын мойындаймыз.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

Неге VAE-копериметрлер PVDF-ке қарағанда тиімдірек?

VAE-копериметрлер электрод парағына әрқайсысына кем дегенде полимердің аз мөлшерін қажет етеді және олар су негізіндегі болғандықтан, қымбат және қауыпты N-метил-2-пирролидон еріткішін қолданудың қажеті жоқ.

VAE-копериметрлер электрод өндірісіндегі энергия тұтынуына қалай әсер етеді?

VAE-копериметрлер өңдеу температурасының төмендеуі мен NMP-ны қалпына келтіру жабдығын қолданбау арқылы дәстүрлі еріткіш негізіндегі жүйелерге қарағанда энергия тұтынуын 40% азайтады.

VAE-копериметрлердің сыйымдылық сақталуы қандай?

VAE-копериметрлер NMC622/Li жартылай элементтерінде 200 зарядтау-разрядтау циклынан кейін 92%-дан астам сыйымдылық сақталуын көрсетеді, бұл дәстүрлі байланыстырғыш материалдарға қарағанда жоғары көрсеткіш.

VAE SEI қабаттарындағы тұрақтылықты қалай жақсартады?

VAE гидроксил топтары мен төменгі тотығу потенциалы арқасында интерфейстік кедергі өсуі төмен тұрақты SEI қабаттарын түзу арқылы тұрақтылықты жақсартады.