Droge elektroden van ‘garen en touw’

In een nieuwe droge productietechnologie voor batterijelektroden gebruiken onderzoekers een combinatie van dunne garenachtige vezels en dikke touwachtige vezels. Deze dubbele vezelstructuur pakt de problemen met de lage mengsterkte en de prestatievermindering van conventionele droge processen aan.

De methoden voor de productie van elektroden voor oplaadbare batterijen worden grofweg onderverdeeld in natte en droge processen, afhankelijk van of er een oplosmiddel wordt gebruikt. Bij het natte proces wordt een in een oplosmiddel opgelost bindmiddel gebruikt als hechtmiddel, wat zorgt voor een uniforme menging van de elektrodematerialen. Vanwege de hoge procesbetrouwbaarheid en de voordelen op het gebied van prestatiebehoud, is het natte proces momenteel de meest gebruikte methode voor de fabricage van elektroden.

Het is echter afhankelijk van giftige organische oplosmiddelen, wat een zware milieubelasting met zich meebrengt, en de tijd die nodig is voor het drogen en terugwinnen van het oplosmiddel is lang, wat leidt tot hoge productiekosten. Daarom is er de laatste tijd steeds meer interesse in de ontwikkeling van droge procestechnologieën die geen oplosmiddelen gebruiken.

Teflon

Het droge proces dat is ontwikkeld aan het Korea Institute of Energy Research en wordt beschreven in het tijdschrift Energy & Environmental Science gebruikt geen oplosmiddelen, wat zorgt voor een snellere verwerking en helpt de milieuvervuiling en het energieverbruik te verminderen. Omdat er echter geen oplosmiddel is om het bindmiddel op te lossen, kan slechts een beperkt aantal bindmiddelmaterialen worden gebruikt, zoals polytetrafluorethyleen (PTFE, Teflon), dat zich uitrekt tot vezelachtige structuren en de deeltjes fysiek bij elkaar houdt.

Als gevolg hiervan is het bij conventionele droge processen moeilijk om de elektrodematerialen uniform te mengen, en de lage cohesie van het mengsel leidt tot verminderde prestaties en duurzaamheid van de uiteindelijke batterijen.

Om de structurele beperkingen van het droge proces te overwinnen, hebben de onderzoekers het materiaal van het conventionele PTFE-bindmiddel niet veranderd; in plaats daarvan hebben ze de fysieke structuur van hetzelfde materiaal gecontroleerd om een ​​PTFE-bindmiddel met een “dubbele vezel”-structuur te creëren.

Meer stappen

Het onderzoeksteam ontwierp een meerstappenproces dat de toevoeging van het bindmiddel verdeelt van één enkele stap in twee fasen. Eerst voegen ze een kleine hoeveelheid bindmiddel toe en voeren een primaire mengstap uit, waarbij een fijn, draadachtig vezelnetwerk ontstaat dat het actieve materiaal en het geleidende additief dicht met elkaar verbindt. Vervolgens voegen ze in een secundaire mengstap het resterende bindmiddel toe, zodat, terwijl het bestaande vezelnetwerk behouden blijft, een extra dikke en robuuste, touwachtige vezelstructuur wordt gevormd.

Het resulterende fijne, draadachtige vezelnetwerk verdeelt de bestanddelen, zoals het actieve materiaal en het geleidende additief, gelijkmatig, waardoor de reacties gelijkmatiger verlopen en de batterijprestaties verbeteren. Bovendien binden de dikke, touwachtige vezels de gehele elektrode stevig samen, waardoor de sterkte en mechanische stabiliteit aanzienlijk toenemen en de duurzaamheid die nodig is voor massaproductieprocessen wordt verbeterd.

Analyse met behulp van elektrochemische reactie-weerstandsmapping toonde volgens de bedenkers bovendien aan dat alle delen van de elektrode snelle en uniforme reactiekinetiek en weerstandskarakteristieken vertonen. Dit is een belangrijke factor om energieverlies tijdens batterijgebruik te minimaliseren en prestatievermindering in specifieke gebieden te voorkomen.

Er wordt niets gezegd over de wenselijkheid van het gebruik van PTFE en de mogelijkheden om dit eventueel te vervangen door een ander materiaal.