Solvente

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 23150 (2016) Citare questo articolo

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Gli elettrodi delle batterie agli ioni di litio sono stati prodotti utilizzando un nuovo processo di verniciatura a polvere completamente a secco. I solventi utilizzati per gli elettrodi convenzionali slurry-cast sono stati completamente rimossi. Il tempo di attivazione termica è stato notevolmente ridotto a causa del processo di evaporazione del solvente, che richiede tempo e risorse, poiché la produzione di elettrodi fusi in impasto liquido è stata sostituita da un processo di laminazione a caldo. Si è trovato che il tempo di attivazione termica per indurre il legame meccanico del polimero termoplastico alle rimanenti particelle dell'elettrodo attivo è solo di pochi secondi. La rimozione del solvente e del processo di essiccazione consente alla produzione su larga scala di batterie agli ioni di litio di essere più economicamente sostenibile in mercati come quello dei sistemi di accumulo dell’energia automobilistica. Comprendendo le energie superficiali di varie polveri che governano la miscelazione delle polveri e la distribuzione del legante, i test di legame delle particelle depositate a secco sul collettore di corrente mostrano che la forza di legame è maggiore degli elettrodi fusi in sospensione, 148,8 kPa rispetto a 84,3 kPa. I test elettrochimici mostrano che i nuovi elettrodi superano gli elettrodi convenzionali trattati con impasto liquido, il che è dovuto alla diversa distribuzione del legante.

Gli elettrodi commerciali delle batterie agli ioni di litio sono prodotti mediante colata di un impasto liquido su un collettore di corrente metallico. L'impasto liquido contiene materiale attivo, carbone conduttivo e legante in un solvente. Il legante, più comunemente fluoruro di polivinilidene (PVDF), è pre-disciolto nel solvente, più comunemente N-metil-2-pirrolidone (NMP). Durante la miscelazione, il legante polimerico scorre attorno e riveste il materiale attivo e le particelle di carbonio1,2,3,4,5,6,7,8,9. Dopo aver miscelato uniformemente, il liquame risultante viene colato sul collettore di corrente e deve essere essiccato. Per fabbricare la batteria è necessaria l'evaporazione del solvente per creare un elettrodo poroso asciutto. L'asciugatura può richiedere un ampio intervallo di tempo; alcuni elettrodi impiegano 12–24 ore a 120 °C per asciugarsi completamente5,10. Nelle applicazioni commerciali, durante il processo di essiccazione deve essere installato un sistema di recupero dell'NMP per recuperare l'NMP evaporato a causa dei costi elevati e del potenziale inquinamento dell'NMP11,12. Sebbene il sistema di recupero renda l'intero processo più economico, richiede un ingente investimento di capitale. Solventi meno costosi e rispettosi dell'ambiente, come i fanghi a base acquosa, potrebbero eliminare il grande costo di capitale del sistema di recupero, ma l'elettrodo richiederebbe comunque una fase di asciugatura che richiede tempo ed energia9,10,13,14,15,16. Sono stati utilizzati anche metodi di produzione non convenzionali per creare elettrodi per batterie. La deposizione spray elettrostatica a base di solvente è stata utilizzata per rivestire i collettori di corrente con materiale elettrodico17,18,19. Ciò si ottiene aggiungendo alta tensione all'ugello di deposizione e mettendo a terra il collettore di corrente, il che fa sì che il materiale di deposizione venga atomizzato sull'ugello e attirato verso il collettore di corrente. Gli elettrodi costruiti con questo metodo presentano caratteristiche simili a quelli degli elettrodi slurry-cast e presentano svantaggi simili in quanto richiedono anche un processo di essiccazione che richiede tempo ed energia (2 ore a 400 °C)19. Le batterie agli ioni di litio sono state prodotte anche utilizzando tecniche di verniciatura a spruzzo utilizzando vernici a base di NMP per spruzzare ciascun componente dell'elettrodo sulla superficie desiderata20. Sebbene ciò consenta la fabbricazione della batteria su una varietà di superfici, richiede comunque l'evaporazione del solvente.

Gli elettrodi fabbricati con particelle secche rivestite su collettori di corrente rappresentano il processo di produzione ideale, eliminando così i solventi e gli svantaggi che ne derivano. La produzione di elettrodi a secco è stata ottenuta attraverso una varietà di metodi come il laser pulsato e la deposizione sputtering21,22,23,24,25,26,27. La deposizione laser pulsata si ottiene focalizzando un laser su un corpo bersaglio contenente il materiale da depositare. Una volta che il laser colpisce il bersaglio, il materiale viene vaporizzato e depositato sul substrato collettore. Sebbene non venga utilizzato solvente, il film depositato deve essere sottoposto a temperature molto elevate (650–800 °C) per ricotturare il film21,24. La deposizione tramite sputtering con magnetron può abbassare la temperatura di ricottura richiesta a 350 °C27. Sebbene questi metodi siano rappresentativi della produzione di elettrodi per batterie a secco, entrambi soffrono di velocità di deposizione molto lente e richiedono temperature elevate per la ricottura19.