Applicazione del legante CMC nelle batterie

Nel regno della tecnologia della batteria, la scelta del materiale legante svolge un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni, la stabilità e la longevità della batteria.Carbossimetil cellulosa (CMC), un polimero solubile in acqua derivato dalla cellulosa, è emerso come un legante promettente a causa delle sue eccezionali proprietà come l'elevata resistenza dell'adesione, una buona capacità di formazione del film e compatibilità ambientale.

La crescente domanda di batterie ad alte prestazioni in vari settori, tra cui automobili, elettronica e energia rinnovabile, ha stimolato ampi sforzi di ricerca per sviluppare nuovi materiali e tecnologie della batteria. Tra i componenti chiave di una batteria, il legante svolge un ruolo cruciale nell'immobilizzare i materiali attivi sull'attuale collettore, garantendo una carica efficiente e cicli di scarico. I leganti tradizionali come il fluoruro di polivinilidene (PVDF) hanno limiti in termini di impatto ambientale, proprietà meccaniche e compatibilità con i chimici della batteria di prossima generazione. Il carbossimetil cellulosa (CMC), con le sue proprietà uniche, è emersa come un promettente materiale di legante alternativo per migliorare le prestazioni e la sostenibilità della batteria.

1.Properties of carbossimetil cellulosa (CMC):
La CMC è un derivato solubile in acqua della cellulosa, un polimero naturale abbondante nelle pareti cellulari vegetali. Attraverso la modifica chimica, i gruppi carbossimetilici (-ch2cooh) vengono introdotti nella spina dorsale di cellulosa, con conseguente miglioramento della solubilità e proprietà funzionali migliorate. Alcune proprietà chiave di CMC rilevanti per la sua applicazione in

（1） Le batterie includono:

Elevata resistenza dell'adesione: CMC presenta forti proprietà adesive, consentendole di legare efficacemente i materiali attivi alla superficie del collettore corrente, migliorando così la stabilità degli elettrodi.
Buona capacità di formazione del film: CMC può formare pellicole uniformi e dense sulle superfici degli elettrodi, facilitando l'incapsulamento dei materiali attivi e migliorando l'interazione elettrodo-elettrolita.
Compatibilità ambientale: come polimero biodegradabile e non tossico derivato da fonti rinnovabili, CMC offre vantaggi ambientali rispetto ai leganti sintetici come PVDF.

2. Applicazione del legante CMC nelle batterie:

（1） Fabbricazione dell'elettrodo:

La CMC è comunemente usata come legante nella fabbricazione di elettrodi per vari chimici delle batterie, tra cui batterie agli ioni di litio (LIB), batterie agli ioni di sodio (SIB) e supercapacutori.
In LIBS, la CMC migliora l'adesione tra il materiale attivo (ad es. Ossido di cobalto di litio, grafite) e l'attuale collettore (ad es. Foglio di rame), portando a una maggiore integrità degli elettrodi e ridotta delaminazione durante il ciclo.
Allo stesso modo, negli SIB, gli elettrodi a base di CMC dimostrano una migliore stabilità e prestazioni di ciclismo rispetto agli elettrodi con leganti convenzionali.
La capacità di formazione del film diCMCGarantisce un rivestimento uniforme di materiali attivi sull'attuale collettore, minimizzando la porosità dell'elettrodo e migliorando la cinetica di trasporto ionico.

（2） Miglioramento della conducibilità:

Mentre la stessa CMC non è conduttiva, la sua incorporazione nelle formulazioni di elettrodi può migliorare la conducibilità elettrica complessiva dell'elettrodo.
Strategie come l'aggiunta di additivi conduttivi (ad es. Carbon Black, Grafene) insieme a CMC sono state impiegate per mitigare l'impedenza associata agli elettrodi a base di CMC.
I sistemi di legante ibridi che combinano CMC con polimeri conduttivi o nanomateriali di carbonio hanno mostrato risultati promettenti nel migliorare la conduttività degli elettrodi senza sacrificare le proprietà meccaniche.

3. Stabilità degli elettrodi e prestazioni di ciclismo:

La CMC svolge un ruolo cruciale nel mantenimento della stabilità degli elettrodi e nella prevenzione del distacco o dell'agglomerato di materiale attivo durante il ciclo.
La flessibilità e l'adesione robusta fornita da CMC contribuiscono all'integrità meccanica degli elettrodi, in particolare in condizioni di sollecitazione dinamica durante i cicli di scarica della carica.
La natura idrofila della CMC aiuta a trattenere elettroliti all'interno della struttura dell'elettrodo, garantendo il trasporto di ioni sostenuto e minimizzare la capacità di capacità sul ciclo prolungato.

4.Chellenges e prospettive future:

Mentre l'applicazione di Binder CMC nelle batterie offre vantaggi significativi, diverse sfide e opportunità di miglioramento

（1） esistono:

Conducibilità migliorata: sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare la conducibilità degli elettrodi a base di CMC, attraverso formulazioni di leganti innovative o combinazioni sinergiche con additivi conduttivi.
Compatibilità con il CHE ad alta energia

Mastries: l'utilizzo di CMC nelle sostanze chimiche di batterie emergenti con densità ad alta energia, come le batterie al litio-solfur e al litio-aria, richiede un'attenta considerazione della sua stabilità e prestazioni elettrochimiche.

（2） Scalabilità ed efficacia in termini di costi:
La produzione su scala industriale di elettrodi a base di CMC deve essere economicamente praticabile, che richiede rotte di sintesi economiche e processi di produzione scalabili.

（3） Sostenibilità ambientale:
Mentre CMC offre vantaggi ambientali rispetto ai leganti convenzionali, sono giustificati gli sforzi per migliorare ulteriormente la sostenibilità, come l'utilizzo di fonti di cellulosa riciclate o sviluppare elettroliti biodegradabili.

Carbossimetil cellulosa (CMC)Rappresenta un materiale di legante versatile e sostenibile con un immenso potenziale per far avanzare la tecnologia delle batterie. La sua combinazione unica di resistenza adesiva, capacità di formazione del film e compatibilità ambientale lo rende una scelta attraente per migliorare le prestazioni e la stabilità degli elettrodi in una gamma di chimici delle batterie. Gli sforzi continui di ricerca e sviluppo volti a ottimizzare le formulazioni di elettrodi a base di CMC, migliorare la conducibilità e affrontare le sfide di scalabilità apriranno la strada all'adozione diffusa di CMC nelle batterie di prossima generazione, contribuendo al progresso delle tecnologie di energia pulita.