As folhas de eletrodos das baterias de íons de lítio são feitas revestindo a pasta do eletrodo em folhas de metal. A pasta do eletrodo consiste nos seguintes materiais dispersos em solventes orgânicos:
Material ativo: Hospedeiro de intercalação/desintercalação de íons de lítio.
Aditivos condutores: Facilitam a condução eletrônica.
Aglutinante: Usado para unir o material ativo e aditivos condutores.
Para baterias de alta capacidade, é necessário reduzir a proporção de aditivos condutores e aglutinantes enquanto aumenta a proporção de material ativo. No entanto, por outro lado, é importante garantir condutividade eletrônica suficiente para reduzir a resistência interna da bateria e manter a estabilidade mecânica do eletrodo. Portanto, é necessária uma quantidade adequada de aditivos condutores e aglutinantes. Essa compensação torna crucial otimizar a relação entre o material ativo e os aditivos condutores.
A dispersibilidade de materiais ativos e aditivos condutores em pastas de eletrodos também é crucial. A dispersão adequada de materiais ativos garante maior contato entre o eletrólito e a superfície de cada partícula, aumentando as reações iônicas e contribuindo para melhorar a capacidade da bateria. O grau de dispersão de aditivos condutores também é crítico. Se a pasta do eletrodo for mal misturada, os aditivos condutores não podem se dispersar adequadamente. Por outro lado, se a mistura for muito forte, as vias dos elétrons formados serão interrompidas.
As possíveis estruturas internas das pastas de eletrodos podem ser ilustradas da seguinte forma:
(1) Tanto os aditivos condutores quanto as partículas ativas não estão adequadamente dispersos.
(2) Os aditivos condutores e as partículas ativas estão bem dispersos, mas exibem forças de interação fracas, resultando em sua separação uns dos outros.
(3) Os aditivos condutores e as partículas ativas são totalmente dispersos, formando uma estrutura onde os aditivos condutores encapsulam as partículas ativas e são ligados entre si para criar uma rede. Esta é a estrutura ideal da pasta.
(4) Quando há uma quantidade excessiva de aditivos condutores, pode ocorrer agregação parcial e formação de uma rede parcial na estrutura da pasta.
Se a estrutura ideal da pasta for mantida durante o processo de fabricação do eletrodo, isso pode levar à formação de uma estrutura ideal do eletrodo, resultando em uma via de condução de elétrons bem estabelecida. Isso é ilustrado no diagrama a seguir.
A dispersão de pastas pode ser alcançada por meio de métodos mecânicos, como dispersão de cisalhamento em alta velocidade ou métodos químicos envolvendo dispersantes. O professor Tong Zhao, da Universidade de Tecnologia de Xi'an, conduziu pesquisas sobre os mecanismos de vários dispersantes comuns. Em primeiro lugar, foi determinada a dosagem ideal de três dispersantes típicos, a saber, éter octilfenílico de polietilenoglicol (Triton X-100, T-100), polivinilpirrolidona (PVP) e carboximetilcelulose (CMC). Posteriormente, foram elucidados os mecanismos de dispersão dos dispersantes T-100, PVP e CMC em pastas de bateria de íons de lítio LiCoO2.
As dosagens ideais para os três dispersantes típicos, T-100, PVP e CMC, são a% = 0,5%, b% = 0,5% e c% = 1,5%, respectivamente. A adição das quantidades ideais de dispersantes à pasta da bateria de íons de lítio permite uma melhor dispersão da suspensão de pasta multicomponente e facilita a formação de uma estrutura interna superior em comparação com pastas com diferentes proporções de massa.
O dispersante T-100 tem pouco impacto na dispersão de partículas de LiCoO2. O dispersante não iônico T-100 atua através do mecanismo de dispersão de impedimento estérico na superfície das partículas de negro de fumo, impedindo efetivamente sua agregação secundária. Ao mesmo tempo, a bicamada PVDF-CB tende a se formar ao redor das partículas de LiCoO2, facilitando a formação de uma estrutura onde o aditivo condutor encapsula as partículas de LiCoO2 dentro da pasta, conforme mostrado no diagrama superior.
O CMC atua na superfície de partículas aditivas condutoras e partículas de LiCoO2 na pasta através do mecanismo de repulsão eletrostática, impedindo efetivamente a agregação secundária entre as partículas. Ele forma uma estrutura onde os aditivos condutores encapsulam as partículas de LiCoO2 dentro da pasta. Em resumo, o dispersante iônico CMC pode criar uma via condutora, uma estrutura de rede de LiCoO2 encapsulado em CB e CB e PVDF bem dispersos em pastas de LiB. Portanto, o CMC é a escolha ideal para estabelecer uma arquitetura interna bem estruturada em pastas de bateria de íons de lítio para melhorar o desempenho da bateria, conforme mostrado no diagrama inferior.
