UC San Diego: безфторное связующее для батарей смывается водой, лабораторные ячейки — 75,7% после 1000 циклов
Связующее из полиакриловой кислоты и карбоксиметилцеллюлозы, сшитых лимонной кислотой, заменило PVDF в лабораторных ячейках и не оставляет фтористых остатков при переработке.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего совместно с Toyota Research Institute of North America и Университетом штата Аризона разработали безфторное связующее для электродов литий-ионных батарей, которое обрабатывается в воде. Работа опубликована в Nature Communications. Связующее состоит из полиакриловой кислоты и карбоксиметилцеллюлозы, сшитых лимонной кислотой, и составляет 2 процента массы электрода. nature.com
Nature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗ Все испытания проводились на небольших лабораторных ячейках: от размера часовой батарейки до пакетных ячеек шириной около 3,3 см.
Связующее и производство электродов
В обычных электродах используют поливинилиденфторид (PVDF), который нужно растворять в токсичном растворителе N-метил-2-пирролидоне. Затем растворитель удаляют в печах и улавливают для повторного использования. В этих испытаниях электроды с PVDF сушили в вакууме при 120°C в течение 12 часов, а электроды с новым связующим — в обычной печи при 60°C в течение четырёх часов.
Электроды с каждым из полимеров по отдельности, а также со смесью двух полимеров без лимонной кислоты при сушке трескались или отслаивались от фольги. По данным авторов, сшитая сетка связывает цепи связующего, активные частицы и токосъёмники водородными, ковалентными и ионными связями. Это даёт прочную адгезию, а также окислительную и термическую стабильность. В тесте с липкой лентой с нового покрытия почти ничего не сошло, тогда как электроды с PVDF теряли материал уже после нескольких отрывов. Гидроксид лития удерживал смесь слабокислой, чтобы она не разъедала алюминиевую фольгу.
Циклирование и переработка
Положительные электроды LiFePO4 с новым связующим показали начальную ёмкость, сопоставимую с контрольными электродами на PVDF. После 1000 циклов заряда и разряда они сохранили 75,7 процента исходной ёмкости, а ячейки с PVDF теряли ёмкость быстрее, особенно после примерно 400 циклов. Пакетная ячейка с графитовым противоэлектродом сохранила 76,4 процента после 1600 циклов. Многослойная сборка после 700 циклов сохранила 74,5 процента против 83,5 процента у однослойной, что авторы объясняют неравномерными условиями внутри сборки. Связующее работало и с никелеобогащёнными и кремниевыми электродами. nature.com
Nature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗
Для оценки переработки ячейки разбирали после 100 циклов. Электроды с новым связующим вымачивали в очищенной воде, пока связующее не растворялось и покрытие не отделялось от фольги. В извлечённом материале фтор не обнаружен, тогда как материал из ячеек с PVDF сохранял фтор на поверхности. Восстановленный LiFePO4 удерживал больше ёмкости и лучше выдерживал быструю зарядку, чем материал, переработанный из ячеек с PVDF, а извлечённый графит работал в новых ячейках до 420 циклов.
Оценка жизненного цикла, которую авторы называют сравнением сценариев, а не измерениями на реальном заводе, дала снижение выбросов парниковых газов на 6,9 процента и расхода энергии на 9,3 процента при производстве ячейки. Переработка требует на 10 процентов меньше энергии и даёт на 7,2 процента меньше парниковых газов. Фтор остаётся в соли электролита, поэтому общее содержание фтора в ячейке снижается примерно на 30 процентов. Производство в промышленных масштабах и полноразмерные ячейки пока не проверены.
