Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Pengaruh Pengikat Berbeda pada Kinerja Elektrokimia Anoda Oksida Logam untuk Baterai Lithium-Ion

Abstrak

Saat menguji kinerja elektrokimia anoda oksida logam untuk baterai lithium-ion (LIB), pengikat memainkan peran penting pada kinerja elektrokimia. Pengikat mana yang lebih cocok untuk membuat anoda oksida logam transisi dari LIBs belum diteliti secara sistematis. Di sini, lima pengikat yang berbeda seperti polivinilidena fluorida (PVDF) HSV900, PVDF 301F, PVDF Solvay5130, campuran karet stirena butadiena dan natrium karboksimetil selulosa (SBR+CMC), dan poliakrilonitril (LA133) dipelajari untuk membuat elektroda anoda (dibandingkan dengan baterai penuh). Uji elektrokimia menunjukkan bahwa penggunaan pengikat SBR+CMC dan LA133 yang menggunakan air sebagai larutan secara signifikan lebih baik daripada PVDF. Pengikat SBR+CMC sangat meningkatkan kapasitas ikatan, stabilitas siklus, dan kinerja laju anoda baterai, dan retensi kapasitas sekitar 87% setelah siklus ke-50 relatif terhadap siklus kedua. Pengikat SBR+CMC lebih cocok untuk membuat anoda oksida logam transisi dari LIB.

Latar Belakang

Baterai lithium ion telah menjadi peralatan penyimpanan energi yang ideal dan telah diterapkan di banyak perangkat elektronik portabel seperti ponsel, pemutar audio, dan komputer laptop dan di ruang angkasa, energi, transportasi, dan bidang lainnya karena keunggulan energi spesifik yang tinggi, tinggi tegangan kerja, kualitas cahaya, siklus hidup panjang, ukuran kecil, dan self-discharge kurang [1,2,3,4,5]. LIB konvensional menggunakan grafit sebagai bahan anoda yang murah, melimpah, dan stabil untuk bersepeda. Namun, pengembangan LIB grafit lebih lanjut terhambat karena kapasitas spesifik yang rendah (secara teoritis 372 mAh g −1 ). Akibatnya, mencari bahan anoda alternatif sangat diperlukan untuk pengembangan LIB canggih [6, 7]. Baru-baru ini, oksida logam transisi 3d (MO, di mana M adalah Fe, Co, Ni, dan Cu) diusulkan untuk berfungsi sebagai anoda kapasitas teoretis tinggi. Namun, bahan oksida logam transisi mengalami penurunan kapasitas yang cepat dan kapasitas spesifik pelepasan awal yang tinggi karena tekanan mekanis yang sangat besar dan hancur selama siklus pengisian-pengosongan [8,9,10]. Tetapi selama percobaan kami, kami menemukan teknik pemrosesan elektroda memainkan peran penting dalam meningkatkan stabilitas siklus. Dalam penelitian kami sebelumnya (2014) [11], kristal CuO oktahedral disiapkan dan digunakan sebagai anoda LIB, yang menunjukkan kapasitas spesifik debit tinggi dan stabilitas siklus yang baik dari siklus ke-2 hingga ke-50 dengan pengikat PVDF 301F. Namun 2 tahun kemudian, saat menggunakan PVDF 301F sebagai pengikat, anoda CuO yang sama menunjukkan kinerja siklus yang sangat buruk yaitu kurang dari 100 mAh g −1 setelah 50 siklus. Alasan rincinya tidak jelas, tetapi dapat dipastikan bahwa pengikat memainkan peran penting dalam menyiapkan anoda oksida logam transisi dan meneliti kinerja elektrokimia. Untuk meningkatkan kinerja elektrokimia baterai lithium-ion, para peneliti tidak hanya mencoba membuat bahan elektroda baru tetapi juga mencari teknik pemrosesan elektroda baru.

Pengikat ditemukan sangat penting, seperti juga telah ditemukan oleh kelompok penelitian lain [12, 13]. Yingjin Wei dkk. [14] menunjukkan bahwa pengikat merupakan komponen penting untuk elektroda baterai yang fungsi utamanya adalah untuk bertindak sebagai agen dispersi yang efektif untuk menghubungkan spesies elektroda bersama-sama dan kemudian terus menempelkannya ke kolektor saat ini. Mereka temukan saat menyiapkan TiO2 anoda, elektroda yang menggunakan SBR dan CMC sebagai pengikat memiliki stabilitas siklus yang lebih baik dan kinerja laju yang lebih tinggi. Kelompok penelitian M. Mancini [15] dan kelompok penelitian Shulei Chou [16] juga menunjukkan elektroda yang menggunakan CMC sebagai pengikat memiliki kemampuan kecepatan tinggi yang lebih baik daripada yang menggunakan PVDF sebagai pengikat.

PVDF adalah pengikat yang paling umum digunakan untuk kedua anoda dan katoda dari LIBs karena elektrokimia dan stabilitas termal yang sangat baik dan adhesi yang baik antara kolektor arus dan film elektroda [17, 18]. Padahal, prospek aplikasi PVDF terbatas karena beberapa kelemahan seperti fleksibilitas rendah, mudah mengembang pada suhu tinggi, lebih serius dan juga harus dilarutkan dalam pelarut organik seperti N -metil-2-pirolidon (NMP), N ,T -dimethylacetamide (DMAc), N ,T -dimetilformamida (DMF). Seperti yang kita ketahui, pelarut organik NMP yang paling umum adalah mahal, mudah menguap, mudah terbakar, beracun, fleksibilitas rendah, dan daur ulang yang buruk [19,20,21]. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak upaya telah dilakukan untuk mencari polimer larut air alternatif untuk membangun kinerja elektrokimia. Misalnya, CMC [22, 23], SBR [24], LA133 [25, 26], asam poliakrilat (PAA) [27, 28], polivinil alkohol (PVA) [29, 30], polietilen glikol (PEG telah berhasil digunakan dalam LIB karena lebih murah, ramah lingkungan, dan juga memiliki kelarutan yang lebih baik) [20], dan poliamida imida (PAI) [31] kemungkinan telah menggunakan air sebagai pengganti NMP. Di antara pengikat berbasis air, sistem berdasarkan SBR dan CMC adalah kombinasi pengikat yang paling banyak dipelajari dan dapat memberikan kemampuan siklus yang sangat baik dan stabilitas mekanis ke elektroda ketika mematuhi ekspansi volume selama siklus pengisian-pengosongan. CMC adalah turunan polimer linier dari selulosa alami, karboksi-metil (−COO ) dan gugus hidroksil (−OH) yang larut dalam air berkontribusi pada pertukaran ion litium dalam elektrolit. Selain itu, SBR sebagai elastomer menunjukkan daya ikat yang kuat, fleksibilitas tinggi, dan ketahanan panas yang baik. Jadi kombinasi SBR dan CMC dapat memberikan bahan adhesi yang tinggi, kinerja siklus yang baik, media dispersi yang kuat, dan stabilitas mekanik ketika elektroda mengalami ekspansi volume yang parah selama bersepeda [14, 32]. Struktur kimia dari pengikat representatif ditunjukkan pada Gambar. 1. Namun, pengikat mana yang lebih cocok untuk pembuatan anoda oksida logam transisi dari LIB belum diteliti secara sistematis.

Ringkasan struktur kimia polimer diperkenalkan dalam karya ini

Di sini, dalam pekerjaan ini, untuk menyelidiki secara sistematis kinerja pengikatan antara oksida logam transisi dan foil tembaga, lima pengikat yang berbeda seperti PVDF HSV900, PVDF 301F, PVDF Solvay5130, SBR+CMC, dan LA133 digunakan untuk menyiapkan elektroda anoda (dibandingkan baterai penuh), dan CuO oktahedral telah dipilih sebagai oksida logam yang representatif. Tes elektrokimia, termasuk debit muatan arus konstan, voltametri siklik, kinerja laju, dan spektroskopi impedansi elektrokimia dilakukan dengan statistik. Kami menemukan SBR+CMC lebih cocok untuk membuat anoda oksida logam transisi dari LIB.

Eksperimental

Persiapan Elektroda Anoda

Bahan CuO disiapkan dengan metode reduksi kimia yang dikembangkan oleh kelompok kami [11]. Untuk membuat elektroda kerja, biasanya dicampurkan slurry yang terdiri dari bahan CuO, karbon hitam, dan bahan pengikat dalam pelarut tertentu. Saat menggunakan PVDF sebagai pengikat untuk membuat elektroda kerja, bubur yang terdiri dari 60 % berat bahan CuO, 10 % berat asetilena hitam, dan 30 % berat PVDF yang dilarutkan dalam NMP dicor pada foil tembaga, dikeringkan pada 80 °C selama 5 H. Saat menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat (CMC dibeli dari Hefei Ke Jing material technology co. LTD., dan viskositas CMC dalam larutan berair 1% lebih dari 1900 mPa s), formula tipikalnya adalah bubur yang terdiri dari 80 berat bahan CuO, 10 berat asetilena hitam, 5% berat SBR, dan 5% berat CMC dilarutkan dalam air dan dicetak pada foil tembaga, dikeringkan pada suhu 50 °C selama 4 jam. Saat menggunakan LA133 (dibeli dari Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd. China) sebagai pengikat, formula khasnya adalah bubur yang terdiri dari 80 % berat bahan CuO, 10 % berat asetilena hitam, dan 10 % berat LA133 yang dilarutkan dalam air dan dicetak pada foil tembaga, dikeringkan pada suhu 50 °C selama 4 jam. Pertimbangkan bahwa rasio berat bahan aktif, karbon hitam dan pengikat bervariasi dari pilihan pengikat yang berbeda.

Studi Perakitan Sel dan Elektrokimia

Pengukuran elektrokimia dilakukan dengan litium metalik sebagai elektroda pembanding dan elektroda lawan menggunakan sel koin CR2025 dalam kotak sarung tangan berisi argon dengan H2 O dan O2 konsentrasi di bawah 1 ppm. Elektroda kerja dan elektroda lawan dipisahkan dengan membran Celgard 2320. Elektrolitnya adalah larutan 1 M LiPF6 dalam etilen karbonat (EC)-1,2-dimetil karbonat (DMC) dengan perbandingan volume 1:1. Pengosongan muatan galvanostatik diukur pada penguji baterai LAND (CT2001A, China). CV dan EIS dilakukan pada stasiun kerja elektrokimia (CHI604D, Chenhua). Tegangannya dari 0,01 V hingga 3,00 V (vs. Li/Li + ), rapat arus adalah 0,2 C, frekuensi berkisar antara 0,01 hingga 100 kHz dengan tegangan AC.

Hasil dan Diskusi

Kinerja Bersepeda Galvanostatik

Pengikat PVDF

Kurva muatan-pelepasan galvanostatik dari anoda CuO yang diproduksi dengan pengikat PVDF (a:HSV900, b:301F, c:Solvay5130) pada laju 0,2 C dalam rentang tegangan 0,01–3,00 V (vs. Li/Li + ) ditunjukkan pada Gambar. 2. Untuk kejelasan, hanya siklus 1, 2, 5, 10, 20, dan 50 yang ditampilkan. Hasil ini sangat berbeda dari yang sebelumnya [11]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, kapasitas pengosongan anoda CuO dengan pengikat PVDF 301F pada siklus kedua adalah sekitar 250 mAh g −1 ; selain itu, stabilitas siklus buruk dan kapasitas debit berkurang menjadi kurang dari 100 mAh g −1 setelah 50 siklus. Seperti yang kita ketahui, PVDF merupakan bahan homopolimer dengan konstanta dielektrik yang tinggi serta memiliki viskositas dan daya ikat yang tinggi dalam pelarut NMP. Sifat-sifat PVDF berbeda tergantung pada berat molekul. PVDF dengan berat molekul rendah mudah larut, tetapi kinerja baterai menggunakan pengikat PVDF tidak stabil. Sebagian besar molekul PVDF hanya dapat membengkak dan tidak larut sempurna jika berat molekul PVDF tinggi (lebih dari 1,2 juta), sehingga kinerja bahan tidak dapat sepenuhnya dimainkan. Oleh karena itu, kami membeli dua PVDF HSV900 dan PVDF Solvay5130 baru untuk membuat anoda CuO. PVDF dari tiga berat molekul yang berbeda dalam percobaan adalah PVDF HSV900 (sekitar 3 juta), PVDF Solvay5130 (1~1,2 juta), dan PVDF 301F (0,25~1 juta). Dapat ditemukan bahwa PVDF Solvay5130 dan PVDF 301F dengan berat molekul lebih kecil memiliki kinerja terbaik pada rasio slurry 6:3:1; namun demikian, PVDF HSV900 dengan berat molekul lebih besar adalah 8:1:1. Dipastikan bahwa besarnya berat molekul PVDF dapat memiliki pengaruh penting pada kinerja baterai. Namun, anoda CuO menggunakan tiga jenis PVDF sebagai pengikat menunjukkan kinerja siklus yang sangat buruk di luar harapan kami. Meskipun menggunakan PVDF Solvay5130 sebagai pengikat, anoda CuO menunjukkan kinerja siklus dan kapasitas pelepasan terbaik; sangat disayangkan kapasitas debit pada kondisi optimal pada siklus 1, 5, dan 50 adalah 869.7, 298.8, dan 158,4 mAh g −1 , masing-masing; retensi kapasitas lebih rendah dari 30%. Lebih lanjut, sampel CuO memiliki dua daerah dataran tinggi yang terdefinisi dengan baik dalam penelitian kami sebelumnya, sedangkan di sini tidak ada dataran tinggi pelepasan yang terlihat saat menggunakan PVDF (a:HSV900, b:301F, c:Solvay5130) sebagai pengikat.

Kurva charge-discharge dari CuO menggunakan pengikat PVDF yang berbeda (ac ) dan pertunjukan bersepeda (d ). a PVDFHSV900, b PVDF301F, dan c Pengikat PVDFSolvay5130 pada 0,2 C

Secara umum, penyebab penurunan kapasitas anoda baterai lithium-ion adalah sebagai berikut [33,34,35]:(1) penghancuran, pengisian berlebih, dan pengosongan pada bahan elektroda, (2) pembentukan film SEI di proses siklus pada permukaan elektroda, (3) dekomposisi pelarut elektrolit selama proses pelepasan, (4) reaksi samping ireversibel karena ketidakmampuan ion lithium untuk menghapus semua, dan (5) bubur jatuh dari foil tembaga mengikuti muatan- siklus debit. Di sini, kondisi preparasi elektroda anoda CuO sama kecuali PVDF, sehingga slurry jatuh dari foil tembaga mengikuti siklus charge-discharge dapat bekerja.

Pengikat SBR+CMC

Gambar 3a–d menampilkan kurva pengisian-pengosongan CuO pada 0,2 C dan rentang tegangan 0,01 hingga 3,0 V menggunakan pengikat SBR+CMC pada rasio 70:10:20, 75:10:15, 80:10:10 , dan 90:5:5, masing-masing. Viskositas SBR terlalu kecil untuk digunakan sebagai pengikat tunggal sehingga ditambahkan CMC untuk meningkatkan viskositas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, saat menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat, semua kapasitas pengosongan anoda CuO jauh lebih tinggi daripada yang menggunakan pengikat PVDF. Selain itu, stabilitas siklus anoda CuO ditingkatkan saat menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat, terutama jika formulanya adalah bubur terdiri dari 80 % berat bahan CuO, 10 % berat asetilen hitam, dan 10 % berat SBR+CMC (sebagai 5 berat SBR dan 5% berat CMC) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Anoda CuO memiliki stabilitas siklus terbaik dan kapasitas pengosongan tertinggi sebesar 461,3 mAh g −1 setelah 50 siklus dan rasio retensi kapasitas CuO sekitar 86,85% lebih baik dari penelitian kami sebelumnya sebesar 66% [11]. Jadi ketika membuat anoda oksida logam transisi dari LIBs, pengikat SBR+CMC memiliki kohesi bahan aktif yang lebih besar dengan foil tembaga yang lebih cocok daripada pengikat PVDF. Hasil serupa dilaporkan oleh Yingjin Wei [6] pada tahun 2015; ZnFe2 O4 Bahan anoda dibuat dengan metode pembakaran glisin-nitrat, menggunakan pengikat SBR+CMC dan PVDF dalam proses pembuatan ZnFe2 O4 elektroda. Elektroda yang menggunakan pengikat SBR+CMC menunjukkan retensi kapasitas yang baik dengan kapasitas ireversibel adalah 873,8 mAh g −1 setelah 100 siklus, sedangkan elektroda dengan PVDF menunjukkan penurunan kapasitas yang serius yang hanya mempertahankan 461,0 mAh g −1 setelah 15 siklus. Shi-gang Lu dkk. [36] telah dilaporkan efek pengikat PVDF dan SBR+CMC pada kinerja elektrokimia bahan silikon (Si) anoda. Setelah 30 siklus dengan arus konstan 200 mAh g −1 , kapasitas reversibel elektroda Si menggunakan PVDF konvensional dan SBR+CMC elastomer sebagai pengikat adalah 1093 dan 2221 mAh g −1 , masing-masing, menunjukkan bahwa retensi kapasitas yang lebih baik dan peningkatan kinerja siklus elektroda Si dengan pengikat SBR + CMC. Semua data menunjukkan bahwa stabilitas siklus baterai yang diproduksi dengan pengikat SBR+CMC sangat baik.

Kurva charge-discharge dengan pengikat SBR+CMC pada rasio CuO yang berbeda (ad ) dan pertunjukan bersepeda (e ). a 70:10:20, b 75:10:15, c 80:10:10, d 90:5:5

LA133 Binder

Gambar 4a–f menyajikan kurva muatan-pelepasan CuO pada 0,2 C dan rentang tegangan dari 0,01 hingga 3,0 V menggunakan LA133 untuk pengikat pada rasio 70:10:20, 75:10:15, 77,5:10:12,5, 80:10:10, 85:10:5, dan 87,5:10:2,5, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, saat menggunakan LA133 sebagai pengikat, semua stabilitas siklus dan kapasitas pelepasan anoda CuO jauh lebih tinggi daripada menggunakan pengikat PVDF yang mirip dengan menggunakan pengikat SBR+CMC. Saat menggunakan LA133 sebagai pengikat, stabilitas siklus anoda CuO juga ditingkatkan. Pada Gbr. 4g, proses pencampuran terbaik pengikat LA133 adalah rasio bubur 80:10:10 yang menunjukkan rasio retensi kapasitas yang sangat baik sekitar 99% dan kapasitas pelepasannya adalah 450,2 mAh g −1 setelah 50 siklus. Jadi pengikat LA133 juga cocok untuk membuat anoda oksida logam transisi dari LIB. Perbedaan utama antara SBR+CMC dan LA133 adalah bahwa SBR+CMC hanya berlaku untuk elektroda anoda dan LA133 dapat diterapkan untuk elektroda katoda dan anoda. Alasan SBR+CMC tidak dapat digunakan pada elektroda katoda adalah ikatan tak jenuh SBR akan teroksidasi pada potensial tinggi, selain itu fleksibilitas dari elektroda yang disiapkan juga berbeda. Saat menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat, elektroda yang disiapkan lebih fleksibel dan elektroda bulat yang diperoleh dengan pemotongan relatif halus dan lengkap. Namun elektroda yang disiapkan menggunakan LA133 sebagai pengikatnya rapuh dan bahan aktifnya biasanya terlepas dari tepi elektroda pada saat pemotongan untuk mendapatkan elektroda bulat. Oleh karena itu, SBR+CMC biasanya dipilih saat menyiapkan elektroda anoda.

Kurva charge-discharge dengan pengikat LA133 pada rasio CuO yang berbeda (af ) dan pertunjukan bersepeda (g ). a 70:10:20, b 75:10:15, c 77.5:10:12.5, d 80:10:10, e 85:10:5, f 87.5:10:2.5

Kesimpulan Binder

Wawasan mendalam tentang kinerja siklus elektroda menggunakan tiga jenis pengikat ditunjukkan pada Gambar 5. Jelas terlihat bahwa kapasitas pelepasan yang lebih besar diperoleh saat menggunakan SBR+CMC dan LA133 sebagai pengikat dibandingkan dengan PVDF. Kinerja siklus elektrokimia yang buruk menggunakan PVDF sebagai pengikat anoda juga diamati oleh kelompok penelitian lain. Zhen Fang dkk. [37] mensintesis MnCo berpori2 O4 nanorods melalui metode dua langkah, melalui pengenalan mangan (Mn) untuk meningkatkan kinerja elektrokimia Co3 O4 . Pengaruh pengikat terhadap kinerja elektrokimia MnCo2 O4 bahan anoda telah diselidiki, yang menggunakan PVDF sebagai pengikat menunjukkan kinerja yang buruk dan kapasitas cepat memudar dengan kapasitas debit 500 mAh g −1 pada kerapatan arus 0,4 A g −1 setelah 70 siklus. Hebatnya, MnCo2 . yang telah disiapkan O4 elektroda yang menggunakan CMC+SBR menunjukkan retensi kapasitas yang sangat baik sebesar 1620 mAh g −1 pada kerapatan arus 0,4 A g −1 setelah 700 siklus, bahkan pada kecepatan tinggi 0,4 A g −1 ~30 A g −1 kapasitas masih sampai 533 mAh g −1 bersepeda dengan kecepatan 30 A g −1 . Hal ini menunjukkan bahwa bahan pengikat berperan penting dalam pembuatan elektroda yang stabil, terutama elektroda anoda bahan oksida logam transisi. Kesimpulannya, ketika membuat elektroda anoda bahan oksida logam transisi untuk LIB, PVDF tidak cocok untuk bahan pengikat. Saat ini, SBR+CMC dan LA133 cocok.

Kurva charge-discharge CuO dengan pengikat yang berbeda (ac ) dan pertunjukan bersepeda (d ). a PVDF, b SBR+CMC, c LA133

Karakterisasi Morfologi dan Struktur

Untuk memiliki wawasan yang mendalam tentang adhesi CuO dan zat aktif lainnya pada foil tembaga, baterai lithium-ion telah dibuka setelah uji charge-discharge galvanostatik. Gambar optik elektroda CuO yang diproduksi dengan pengikat SBR+CMC, LA133, PVDF Solvay5130, PVDF 301F dan PVDF HSV900 sebelum (kiri) uji charge-discharge dan setelah (kanan) 50 siklus charge-discharge ditunjukkan pada Gambar. 6; ternyata, elektroda telah mengalami beberapa perubahan setelah beberapa siklus charge-discharge. Film elektroda pada tiga elektroda terakhir dengan pengikat PVDF jelas terlepas dari foil tembaga, dan zat aktifnya hampir hilang terutama saat menggunakan PVDF 301F dan PVDF HSV900 sebagai pengikat. Sebaliknya, elektroda yang menggunakan SBR+CMC dan LA133 sebagai pengikat tidak berubah terlalu banyak setelah 50 siklus charge-discharge, dan gaya adhesi pada foil tembaga relatif kuat. Hal ini terkait dengan mekanisme adhesi PVDF dan SBR. Ketika PVDF digunakan sebagai bahan pengikat, bahan aktifnya adalah perekat pada foil tembaga dalam bentuk plane bonding, yang kekuatan adhesinya tidak kuat sehingga seluruh bidang bahan aktif mudah terkelupas dari copper foil. Hal ini dapat dibuktikan dengan bahan aktif terkelupas dari foil tembaga secara integral seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 menggunakan pengikat PVDF Solvay5130. Ketika SBR digunakan sebagai pengikat, bahan aktif terikat pada foil tembaga dalam bentuk ikatan titik, hanya bahan aktif pada titik ini yang dapat terkelupas dari foil tembaga ketika kekuatan adhesi tidak kuat. Jadi menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat, kinerja siklik dari bahan oksida logam transisi sebagai anoda lithium-ion seharusnya lebih baik secara teori.

Gambar optik elektroda CuO sebelum (kiri) dan setelah (kanan) siklus pengisian-pengosongan menggunakan pengikat yang berbeda

Perbandingan elektroda CuO sebelum dan sesudah siklus menggunakan SBR+CMC (a, b, c, d) dan LA133 (e, f, g, h) sebagai pengikat dianalisis dengan SEM dan ditunjukkan pada Gambar 7. Sebagai bahan aktif zat terlepas dari foil tembaga menggunakan PVDF sebagai pengikat, sehingga hasil SEM tidak terlihat. Selain itu, gambar perbesaran besar dilengkapi di sudut kanan atas ilustrasi SEM agar dapat dianalisis lebih jelas. Bahan CuO oktahedral dapat mempertahankan morfologi oktahedralnya setelah uji charge-discharge. Kedua film elektroda yang menggunakan pengikat SBR+CMC dan LA133 telah melekat erat pada foil tembaga, terutama tidak ada celah yang ditemukan sebelum uji pelepasan muatan seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7c, g. Namun, celah ditemukan untuk kedua pengikat antara film elektroda dan foil tembaga setelah uji charge-discharge seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7d, h. Saat menggunakan pengikat LA133, celah antara film elektroda dan foil tembaga sekitar 1,8 μm jauh lebih besar dari pengikat SBR+CMC sebesar 1,4 μm. Kesenjangan mungkin disebabkan oleh perendaman dalam elektrolit dan siklus pengisian dan pengosongan berulang yang terbukti setelah periode siklus yang lama, bahan elektroda memiliki kemungkinan jatuh dari foil tembaga, tetapi masih jauh lebih baik daripada pengikat PVDF. Oleh karena itu, pengikat memang memainkan peran yang sangat penting dalam persiapan dan pengujian anoda oksida logam dari LIBs. Kekuatan adhesi yang luar biasa dari campuran SBR+CMC mungkin dapat dikaitkan dengan jaringan tiga dimensi dengan pembentukan SBR+CMC. Saat menggunakan SBR+CMC sebagai pengikat, rantai polimer yang lebih kuat terbentuk dan melilit bahan aktif CuO dan karbon hitam. Dengan demikian, dapat mencegah pengelupasan film elektroda dari foil tembaga.

Gambar SEM dan penampang SEM elektroda CuO menggunakan pengikat yang berbeda. a,c Pengikat SBR+CMC sebelum siklus pengisian-pengosongan; b , d Pengikat SBR+CMC setelah siklus pengisian-pengosongan; e , g pengikat LA133 sebelum siklus pengisian-pengosongan; f, j Pengikat LA133 setelah siklus pengisian-pengosongan

Menilai Performa

Kinerja laju elektroda CuO menggunakan PVDF, SBR+CMC, dan LA133 tiga jenis pengikat dalam kondisi terbaiknya ditunjukkan pada Gambar. 8. Parameter proses uji rasio diatur ke 0,2 C → 0,5 C → 1,0 C → 2,0 C → 5,0 C → 2,0 C → 1,0 C → 0,5 C → 0,2 C untuk siklus pengisian dan pengosongan, rentang tegangan 0,01–3,0 V. Gambar 8d membandingkan kinerja siklus tiga pengikat pada laju arus yang bervariasi; kapasitas spesifik muatan menggunakan pengikat SBR+CMC jauh lebih baik daripada PVDF dan LA133. Kurva charge-discharge yang sesuai juga ditunjukkan pada Gambar. 8a–c, masing-masing. Hampir semua kapasitas sel telah pulih sebagai arus kembali ke tingkat rendah awal 0,2 C. Kapasitas pulih dari SBR+CMC sebagai pengikat adalah 87,0%, yang lebih tinggi dari LA133 sebagai pengikat (71,7%) dan PVDF sebagai pengikat (61,3%). Hal ini mungkin disebabkan oleh dinamika yang berbeda antara ketiga pengikat tersebut.

Nilai kinerja (a ) dan kurva charge-discharge yang sesuai dari CuO menggunakan pengikat yang berbeda. b PVDF, c SBR+CMC, d LA133

Voltametri Siklus

Voltammogram siklik dari elektroda CuO menggunakan tiga jenis pengikat di bawah kondisi terbaiknya masing-masing ditunjukkan di kolom kiri Gambar 9a-c; Kurva CV asimetris menunjukkan bahwa siklus charge-discharge baterai tidak reversibel. Kecepatan pemindaian adalah dari 0,1 hingga 2,0 mV s −1 diuji setelah pengisian-pengosongan baterai selama 2 siklus. Grafik CV menunjukkan bahwa ada dua puncak reduksi yang jelas muncul masing-masing sekitar 0,85 dan 1,28 V (terutama pengikat SBR+CMC) saat kecepatan pemindaian 0,1 mV s −1 ; ini menunjukkan penyisipan ion lithium adalah reaksi dua langkah dan sesuai dengan dua platform pelepasan dari kurva pelepasan. Puncak reduksi yang terletak pada potensial 1,28 V sesuai dengan transformasi CuO menjadi Cu2 O, dan puncak reduksi yang terletak pada potensial 0,85 V sesuai dengan transformasi Cu2 O ke Cu. Selain itu, puncak reduksi kecil muncul pada 2,25 V, yang dikaitkan dengan pembentukan SEI dengan fase CuO [38,39,40]. Dalam proses pengisian, dua puncak oksidasi tidak dapat dengan mudah dibedakan. Mereka bergabung menjadi puncak oksidasi pada 2,54 V, yang terkait dengan proses transformasi Cu menjadi Cu (I) dan Cu (II). Selain itu, puncak lebar yang tidak terlihat di sekitar 1,50 V mungkin berhubungan dengan dekomposisi lapisan SEI. Dengan meningkatkan kecepatan pemindaian, dua puncak pereduksi pindah ke potensial negatif dan ireversibilitas meningkat. Ketika SBR+CMC digunakan sebagai pengikat, ireversibilitas puncak oksidasi dan reduksi adalah minimum, menunjukkan polarisasi elektrokimia terendah. Ketika PVDF dan LA133 digunakan sebagai pengikat, bentuk puncak menjadi semakin tidak jelas dengan meningkatnya kecepatan pemindaian. Sedangkan ketika SBR+CMC digunakan sebagai pengikat, puncak oksidasi dan reduksi sangat jelas bahkan pada 2,0 mV s −1 . Bentuk puncak yang baik pada uji voltamogram siklik membuktikan bahwa pengikat SBR+CMC lebih baik daripada PVDF dan LA133. Selanjutnya, melalui kontras, dapat diperoleh bahwa arus puncak dan luas puncak yang menggunakan pengikat SBR+CMC jauh lebih besar daripada yang menggunakan PVDF dan LA133 sebagai pengikat.

Voltammogram siklik (kolom kiri) dari elektroda CuO menggunakan tiga pengikat pada laju pemindaian yang berbeda dan hubungan antara arus puncak dan akar kuadrat laju pemindaian (kolom kanan). (a , d ) PVDF Solvay5130, (b , e ) SBR+CMC, (c , f ) LAI33

Untuk penelitian lebih lanjut kinetika elektroda, koefisien difusi litium elektroda CuO menggunakan pengikat yang berbeda dapat dihitung dari persamaan Randles-Sevcik [41].

$$ {i}_p=0.4463 nFAC{\left( nFvD/ RT\right)}^{1/2} $$ (1)

Menurut Persamaan. 1, i p adalah indikasi arus puncak (A), n adalah jumlah elektron dalam proses transfer, F mewakili konstanta Faraday (96.486 C mol −1 ), A adalah area elektroda (cm 2 ), C singkatan dari konsentrasi volume (mol cm −3 ), ν mewakili kecepatan sapuan (V s −1 ), D atas nama koefisien difusi (cm 2 s −1 ), R adalah konstanta gas (8,314 J K −1 mol −1 ), dan T mewakili suhu uji (K). Saat suhu ruangan mencapai 25 °C, masukkan F dan R ke dalam Persamaan. (1):

$$ {i}_p=268600{n}^{3/2}{AD}^{1/2}{Cv}^{1/2} $$ (2)

Dari jenisnya dapat diketahui arus puncak berbanding lurus dengan akar kuadrat dari scan rate dan kemiringan garis lurus yang sesuai dengan 268600n 3/2 IKLAN 1/2 C dalam rumus.

Gambar 9d–f menunjukkan hubungan linier yang baik dari i p dan 1/2 untuk elektroda CuO masing-masing menggunakan PVDF, SBR+CMC, dan LA133 untuk pengikat. Koefisien difusi pada kemajuan penyisipan dan ekstraksi Li + dalam CuO dihitung dengan puncak oksidasi terbesar (sekitar 2,54 V pada proses pengisian saat menggunakan pengikat SBR+CMC) dan puncak reduktif (sekitar 1,28 V pada proses pelepasan saat menggunakan pengikat SBR+CMC), dan hasil yang sesuai berdasarkan Persamaan. (2) tercantum pada Tabel 1. Dari Tabel 1 terlihat bahwa nilai Li + Koefisien difusi elektroda CuO yang menggunakan pengikat SBR+CMC jauh lebih tinggi dibandingkan dengan yang lain baik pada siklus charge maupun discharge. Nilai yang lebih besar menunjukkan bahwa penggunaan SBR+CMC sebagai pengikat lebih menguntungkan kinetika interkalasi ion litium, yang juga dapat menjelaskan mengapa penggunaan SBR+CMC sebagai pengikat memiliki kinerja elektrokimia yang lebih baik daripada pengikat PVDF dan LA133.

Electrochemical Impedance Spectroscopy

In order to study the electrochemical kinetics and conductivity of the CuO electrode material using different binders, EIS measurements were carried out at the open circuit voltage with the frequency ranging from 0.01 to 100 Hz and the AC impedance was 5 mV. Before EIS tests, all cells were constant current charge-discharged for 50 cycles. The Nyquist plots of CuO using different binders are displayed in Fig. 10. Obviously, the EIS spectra was composed of a circle in the high-frequency area and a slash in the low-frequency region. The intercept on the Z′ real axis represented the ohmic resistance (Rs ) that corresponds to the resistance of electrolyte. The semicircle in the high frequency corresponds to the resistance of the SEI film (Rsf ) and the charge transfer resistance (Rct ). The line stands for the Warburg impedance (Ws ) which is in connection with the Li + diffusion in active materials. It can be observed in Fig. 10 that the resistance of the semicircle with SBR+CMC and LA133 had similar value about 50 Ω cm 2 which was much smaller than the PVDF. So little resistance indicated faster charge transfer for CuO electrode and also demonstrated that using SBR+CMC as binder was conducive to a rapidly electrochemical reaction and preferable capacity retention of active materials.

Electrochemical impedance spectra of CuO electrodes using different binders after 50 charge-discharge cycles

Moreover, electric conductivity of CuO electrodes using different binders can also be tested by AVO meter, and the corresponding measurement result is listed in Table 2. The results showed that using SBR+CMC as binder had smallest electrical resistance, which the value of 200 Ω was smaller compared with other binders especially than the PVDFHSV900 (500,000 Ω).

Kesimpulan

In conclusion, this study has investigated the electrochemical performance of CuO electrodes handle with different binders and also researched the adhesive properties of the organic PVDF binders or aqueous binders of SBR+CMC and LA133 can be varied over the weight ratio of conductive slurry. Test results show that active material was easy to fall off from the current collector if use PVDF for binder. By contrast, SBR+CMC and LA133 displayed the preferable bonding performance. It can be observed that fabricated with SBR+CMC binder, especially when the slurry ratio was 80:10:10, the electrode demonstrated an outstanding electrical conductivity, excellent charge transfer, prominent binding capability, remarkable cycling performance, and good rate performance, and eventually result in the brilliant electrochemical performance. Consequently, this work provided the experimental feasibility and theoretical proof of manufacturing LIBs anode materials using cheap aqueous SBR+CMC binder instead of poisonous solvent like NMP and expensive PVDF. Hence, the battery electrochemical property be promoted, cost be reduced, and environment be protected accordingly.


bahan nano

  1. Komposit Mekanik LiNi0.8Co0.15Al0.05O2/Carbon Nanotubes dengan Peningkatan Kinerja Elektrokimia untuk Baterai Lithium-Ion
  2. Pengaruh Anion Sulfat pada Nukleasi Ultrafine Titania
  3. Sintesis dan Sifat Elektrokimia Bahan Katoda LiNi0.5Mn1.5O4 dengan Doping Komposit Cr3+ dan F− untuk Baterai Lithium-Ion
  4. Komposit MoS2/Acetylene Black Berlapis Sedikit sebagai Bahan Anoda yang Efisien untuk Baterai Lithium-Ion
  5. Persiapan Mikromaterial Hibrida MnO2 Berlapis PPy dan Peningkatan Performa Sikliknya sebagai Anoda untuk Baterai Lithium-Ion
  6. Na4Mn9O18/Karbon Nanotube Komposit sebagai Bahan Kinerja Elektrokimia Tinggi untuk Baterai Natrium-Ion Berair
  7. Komposit Si/Grafena Tertanam yang Dibuat dengan Reduksi Magnesium-Termal sebagai Bahan Anoda untuk Baterai Lithium-Ion
  8. Anoda Film Fe2O3 Nanokristalin Disiapkan oleh Deposisi Laser Berdenyut untuk Baterai Lithium-Ion
  9. Sintesis Hijau Nanopartikel Logam dan Oksida Logam dan Pengaruhnya pada Alga Uniseluler Chlamydomonas reinhardtii
  10. Apa Pilihan Berbeda untuk Penyelesaian Logam?