Zastosowanie spoiwa CMC w bateriach

W dziedzinie technologii akumulatorowej wybór materiału wiążącego odgrywa kluczową rolę w określeniu wydajności, stabilności i żywotności akumulatora.Karboksymetyloceluloza (CMC), rozpuszczalny w wodzie polimer otrzymywany z celulozy, okazał się obiecującym spoiwem ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, takie jak wysoka przyczepność, dobra zdolność tworzenia powłoki i przyjazność dla środowiska.

Rosnący popyt na wysokowydajne baterie w różnych branżach, w tym motoryzacyjnej, elektronicznej i energii odnawialnej, pobudził szeroko zakrojone prace badawcze mające na celu opracowanie nowych materiałów i technologii baterii. Spośród kluczowych komponentów baterii, spoiwo odgrywa kluczową rolę w unieruchamianiu materiałów aktywnych na kolektorze prądu, zapewniając wydajne cykle ładowania i rozładowania. Tradycyjne spoiwa, takie jak polifluorek winylidenu (PVDF), mają ograniczenia pod względem wpływu na środowisko, właściwości mechanicznych i kompatybilności z chemią baterii nowej generacji. Karboksymetyloceluloza (CMC) ze swoimi unikalnymi właściwościami wyłoniła się jako obiecujący alternatywny materiał wiążący do poprawy wydajności baterii i zrównoważonego rozwoju.

1. Właściwości karboksymetylocelulozy (CMC):
CMC to rozpuszczalna w wodzie pochodna celulozy, naturalnego polimeru występującego obficie w ścianach komórkowych roślin. Poprzez modyfikację chemiczną grupy karboksymetylowe (-CH2COOH) są wprowadzane do szkieletu celulozowego, co skutkuje zwiększoną rozpuszczalnością i poprawionymi właściwościami funkcjonalnymi. Niektóre kluczowe właściwości CMC istotne dla jego zastosowania w

(1) baterie obejmują:

Wysoka przyczepność: CMC wykazuje silne właściwości adhezyjne, co pozwala mu skutecznie wiązać materiały aktywne z powierzchnią kolektora prądu, poprawiając w ten sposób stabilność elektrody.
Dobra zdolność tworzenia filmów: CMC może tworzyć jednolite i gęste filmy na powierzchniach elektrod, ułatwiając enkapsulację materiałów aktywnych i wzmacniając interakcję elektroda-elektrolit.
Zgodność z ochroną środowiska: CMC to biodegradowalny i nietoksyczny polimer pozyskiwany ze źródeł odnawialnych, który jest korzystniejszy dla środowiska od syntetycznych spoiw, takich jak PVDF.

2.Zastosowanie spoiwa CMC w bateriach:

（1）Wytwarzanie elektrod:

CMC jest powszechnie stosowany jako spoiwo w produkcji elektrod do różnych rodzajów baterii, w tym baterii litowo-jonowych (LIB), baterii sodowo-jonowych (SIB) i superkondensatorów.
W ogniwach LIB, CMC poprawia przyczepność pomiędzy materiałem aktywnym (np. tlenkiem litu i kobaltu, grafitem) a kolektorem prądu (np. folią miedzianą), co prowadzi do zwiększenia integralności elektrody i zmniejszenia rozwarstwienia podczas cykli.
Podobnie w przypadku SIB elektrody na bazie CMC wykazują lepszą stabilność i wydajność cykliczną w porównaniu do elektrod ze spoiwami konwencjonalnymi.
Zdolność tworzenia filmuCMCzapewnia równomierne pokrycie kolektora prądu materiałami aktywnymi, minimalizując porowatość elektrody i poprawiając kinetykę transportu jonów.

（2）Poprawa przewodności:

Chociaż CMC sam w sobie nie jest przewodnikiem, jego dodanie do składu elektrod może poprawić ogólną przewodność elektryczną elektrody.
Aby zmniejszyć impedancję związaną z elektrodami na bazie CMC, zastosowano takie strategie, jak dodawanie przewodzących dodatków (np. sadzy, grafenu) obok CMC.
Hybrydowe systemy spoiw łączące CMC z polimerami przewodzącymi lub nanomateriałami węglowymi wykazały obiecujące wyniki w zakresie poprawy przewodności elektrody bez utraty właściwości mechanicznych.

3.Stabilność elektrody i wydajność cykli:

CMC odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu stabilności elektrody i zapobieganiu odłączaniu się lub aglomerowaniu materiału aktywnego w trakcie cyklu.
Elastyczność i solidna przyczepność zapewniane przez CMC przyczyniają się do integralności mechanicznej elektrod, zwłaszcza w warunkach naprężeń dynamicznych występujących podczas cykli ładowania i rozładowania.
Hydrofilowa natura CMC pomaga w zatrzymywaniu elektrolitu wewnątrz struktury elektrody, co zapewnia ciągły transport jonów i minimalizuje spadek pojemności podczas dłuższych cykli.

4. Wyzwania i perspektywy na przyszłość:

Chociaż stosowanie spoiwa CMC w akumulatorach oferuje znaczące korzyści, istnieje kilka wyzwań i możliwości udoskonalenia

（1）istnieje:

Lepsza przewodność: Konieczne są dalsze badania mające na celu optymalizację przewodności elektrod na bazie CMC, zarówno poprzez innowacyjne formuły spoiw, jak i synergistyczne połączenia z dodatkami przewodzącymi.
Zgodność z Che o wysokiej energii

mistries: Wykorzystanie CMC w powstających technologiach produkcji baterii o dużej gęstości energii, takich jak baterie litowo-siarkowe i litowo-powietrzne, wymaga starannego rozważenia jego stabilności i parametrów elektrochemicznych.

（2）Skalowalność i opłacalność:
Produkcja na skalę przemysłową elektrod na bazie CMC musi być opłacalna, co wymaga opłacalnych metod syntezy i skalowalnych procesów produkcyjnych.

（3）Zrównoważony rozwój środowiska:
Chociaż CMC oferuje korzyści środowiskowe w porównaniu z konwencjonalnymi spoiwami, uzasadnione są działania mające na celu dalszą poprawę zrównoważonego rozwoju, np. poprzez wykorzystanie źródeł celulozy pochodzącej z recyklingu lub opracowanie biodegradowalnych elektrolitów.

Karboksymetyloceluloza (CMC)reprezentuje wszechstronny i zrównoważony materiał wiążący o ogromnym potencjale do rozwoju technologii baterii. Jego unikalne połączenie siły klejenia, zdolności tworzenia filmu i kompatybilności ze środowiskiem sprawia, że ​​jest atrakcyjnym wyborem do poprawy wydajności elektrod i stabilności w różnych chemiach baterii. Ciągłe prace badawczo-rozwojowe mające na celu optymalizację formulacji elektrod opartych na CMC, poprawę przewodności i rozwiązywanie problemów ze skalowalnością utorują drogę do powszechnego przyjęcia CMC w bateriach nowej generacji, przyczyniając się do rozwoju technologii czystej energii.