بایندر (چسب) باتری لیتیوم-یون – انواع و اهمیت آن در عملکرد باتری

توسعه باتری‌های لیتیوم یونی با کارایی بالا، چگالی انرژی بالا، قابلیت سرعت و عمر چرخه طولانی برای کاربرد عملی ضروری است. در بین تمام اجزای باتری، بایندر علیرغم استفاده کم، نقش کلیدی در تعیین آماده سازی الکترودها و بهبود عملکرد باتری دارد. عملکرد اصلی بایندر پیوند ماده فعال، افزودنی رسانا و جمع کننده جریان با هم و ایجاد کانال های الکترونی و یونی برای بهبود سینتیک واکنش الکتروشیمیایی است.

با نیاز روزافزون به چگالی انرژی بالا توسط باتری های لیتیوم-یون، چالش های فنی مانند گسترش حجم و انحلال مواد فعال توجه جهانی را به خود جلب می کند، جایی که تصور می شود بایندر راه حل جدیدی را ارائه دهد. دو دسته اصلی (بایندر محلول در حلال آلی و بایندر محلول در آب) و گروه‌های عاملی قطبی فراوان وجود دارد که توانایی چسبندگی را فراهم می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم یونی (LIBs) از طراحی مواد فعال، الکترولیت و جمع‌کننده جریان تا بهینه‌سازی دستگاه‌ها و ساختارها به پیشرفت‌های قابل توجهی دست یافته‌اند که کاربرد گسترده‌ای را در وسایل نقلیه الکتریکی مقیاس بزرگ و دستگاه‌های الکترونیکی کوچک نشان می‌دهد.

برای اجزای باتری LIB ها، تلاش های زیادی برای مواد فعال و الکترولیت انجام شده است، در حالی که عملکرد بایندر دست کم گرفته شده است. با وجود نسبت وزن کم ( 10 الی 20 درصد وزنی) در الکترودها، بایندر نقش مهمی در حفظ یکپارچگی الکترود و تضمین عملکرد الکتروشیمیایی بالا ایفا می کند.

به طور کلی، بایندر را می توان به دو دسته، محلول در حلال آلی و محلول در آب طبقه بندی کرد. پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) به عنوان بایندر محلول در حلال آلی معمولی استحکام چسبندگی و خاصیت مکانیکی نسبتاً ضعیفی از خود نشان می دهد که در حال حاضر برای سیستم های جدید استفاده از آن محدودتر شده است. در مقابل، سدیم کربوکسی متیل سلولز (CMC)، پلی (اسید اکریلیک) (PAA)، استایرن بوتادی ان (SBR)، سدیم آلژینات (SA) و سایر بایندرهای حلال در آب به عنوان بایندر پلیمری جدید مورد بررسی قرار گرفته‌اند، زیرا خاصیت چسبندگی افزایش یافته و از گروه‌های عاملی غنی هستند که می‌توانند توسط روش های فیزیکی و شیمیایی اصلاح شوند.

به عنوان اجزای غیرفعال، بایندرها و افزودنی‌های رسانا نمی‌توانند چگالی انرژی را تامین کنند و لازم است نسبت وزن در الکترودها تا حد امکان کاهش یابد. در نتیجه، سیستم‌های بایندر تک جزئی اختراع می‌شوند. با معرفی ساختارهای مزدوج و گروه های الکترونیکی قابل تنظیم در زنجیره پلیمری، می توان یک بایندر با رسانایی و چسب عالی طراحی و سنتز کرد که چگالی انرژی، سرعت و عملکرد چرخه را بهبود می بخشد. علاوه بر این، بایندر با ساختارهای مولکولی سه بعدی نه تنها می تواند کانال هایی برای انتقال یون و الکترون فراهم کند، بلکه تغییر حجم ذرات فعال را نیز در خود جای می دهد.

در ادامه توسعه بایندرهای پلیمری و چگونگی بهبود عملکرد باتری را از نظر چهار استراتژی اصلی طراحی، از جمله افزایش نیروی اتصال، تشکیل شبکه سه بعدی و افزایش رسانایی و چسبندگی با گروه های عاملی ویژه، شرح داده می شود. (شکل 1)

به طور کلی، یک بایندر ایده آل باید دارای ویژگی های زیر باشد:

1-خواص حرارتی برتر برای انطباق با طیف وسیعی از دماها و حفظ استحکام نیروی اتصال.

2- خواص مکانیکی خوب از جمله استحکام کششی، الاستیسیته، انعطاف‌پذیری و استحکام چسب تحت شرایط کشش یا فشار، به منظور مقاومت در برابر تغییر حجم عظیم یا تغییر کرنش در برخی سیستم‌های خاص (مانند باتری مبتنی بر آند سیلیکون (Si)).

3- مقاومت مشخص در برابر تورم الکترولیت.

4- توانایی بهبود تولید لایه بین فازی الکترولیت کاتدی (CEI) / لایه بین فازی الکترولیت جامد (SEI)

5- کانال های الکتریکی و یونی کافی برای اطمینان از عملکرد الکتروشیمیایی عالی.

6- خواص پراکندگی قابل توجه در حلال برای پوشش و اتصال اجزای الکترود و جلوگیری از تجمع ناهموار.

7- پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی برجسته در حلال های شیمیایی مختلف حتی در پنجره ولتاژ بالا.

8- آماده سازی کم هزینه، سازگار با محیط زیست و آسان.

راه های افزایش کارآیی بایندرهای باتری لیتیوم-یون

1- افزایش نیروی اتصال

اگرچه نیروی واندروالس به طور گسترده در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار می گیرد، اما برای اتصال محکم اجزای الکترود به یکدیگر آنقدر ضعیف است که باید فعل و انفعالات قوی تری مانند پیوند هیدروژنی، پیوند الکترواستاتیکی و پیوند کووالانسی که قادر به تشکیل نیروهای اتصال جامد بیشتری هستند، وارد شوند.

2- تشکیل شبکه سه بعدی

مواد الکترود معمولاً از تغییرات حجم بسیار زیاد در طول شارژ/دشارژ رنج می‌برند، به عنوان مثال سیلیکون 300 تا 400 درصد، سولفور بیش از 70 درصد، که منجر به از هم پاشیدگی الکترودها و تخریب عملکرد الکتروشیمیایی می‌شود، به ویژه در شرایط جرم بارگذاری زیاد در کاربردهای عملی. علاوه بر این، برای باتری های انعطاف پذیر، الکترودها باید در برابر تغییر شکل های مکانیکی مانند خم شدن، غلتش، تا شدن یا کشش مقاومت کنند.

این موارد مستلزم آن است که بایندر باید یک شبکه سه بعدی بسازد تا کل الکترود را بپوشاند تا یک ساختار خطی منفرد با فعل و انفعالات فیزیکی ضعیف، تشکیل یک شبکه پیوندی محکم بین جمع کننده های جریان، مواد فعال و افزودنی های رسانا بدهد.

3- افزایش هدایت الکتریکی و یونی

بایندرهای سنتی و افزودنی‌های رسانا کانال‌هایی را برای انتقال الکترون‌ها و یون‌ها به منظور بهبود واکنش‌های ردوکس در الکترود ایجاد می‌کنند، در حالی که افزایش بارگذاری اجزای غیرفعال اجتناب‌ناپذیر است و منجر به کاهش آشکار چگالی انرژی باتری می‌شود. بنابراین، به جز قابلیت اتصال، یک بایندر با خواص انتقال الکتریکی و یونی عالی و بدون استفاده از افزودنی رسانا در تهیه الکترود، یک مسیر جایگزین برای افزایش عملکرد باتری است. به طور کلی، بایندر رسانا را می توان به دو دسته (بایندرهای رسانای الکترونیکی و یونی) طبقه بندی کرد و روش های شیمیایی مختلفی برای تعدیل دقیق ساختار مولکولی با معرفی اتم ها و گروه های عاملی مختلف وجود دارد.

4- بایندر با گروه عاملی ویژه

به منظور برآوردن نیازهای مختلف الکترودها، یک بایندر با گروه های عملی ویژه قادر به افزایش عملکرد الکتروشیمیایی مانند تنظیم پلی سولفید، تشکیل لایه غیرفعال سازی مصنوعی و توانایی خود ترمیمی است.