ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

Для цитирования:

Истомина А. С., Бушкова О. В. Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов. Часть 1. Поливинилиденфторид, его производные и другие коммерциализованные материалы // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, вып. 3. С. 115-?. DOI: 10.18500/1608-4039-2020-20-3-115-131, EDN: IJOMIX

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 128)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Щелочные аккумуляторы
Тип статьи: 
Научная статья
DOI: 
10.18500/1608-4039-2020-20-3-115-131
EDN: 
IJOMIX

Полимерные связующие для электродов литиевых аккумуляторов. Часть 1. Поливинилиденфторид, его производные и другие коммерциализованные материалы

Авторы: 
Истомина Айгуль Салаватовна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Бушкова Ольга Викторовна, Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Аннотация: 

Обсуждается современное состояние технологий и разработок в области полимерных связующих для композиционных электродов литиевых электрохимических систем. Рассмотрен широкий круг используемых для этой цели синтетических и природных полимеров; особое внимание уделено коммерчески доступным материалам, образующим водные растворы или дисперсии. Продемонстрированы преимущества многофункциональных полимерных связующих. Показана необходимость индивидуального подбора связующего к конкретному активному материалу для достижения и сохранности высоких ёмкостных и мощностных характеристик аккумуляторов, а также для обеспечения их длительного безопасного циклирования.

Ключевые слова: 
полимерные связующие
композиционные электроды
литий-ионные аккумуляторы
Список источников: 

1. Ding Y., Cano Z. P., Yu A., Lu J., Chen Z. Automotive Li-Ion batteries : Current status and future perspectives // Electrochem. Energ. Rev. 2019. Vol. 2, № 1. P. 1–28. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z

2. Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L. K., Qi Y. Lithium-ion batteries : outlook on present, future, and hybridized technologies // J. Mater. Chem. A. 2019. Vol. 7, № 7. P. 2942–2964. DOI: https://www.doi.org/10.1039/c8ta10513h

3. Schmuch R., Wagner R. Horpel G., Placke T., Winter M. Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries // Nat. Energy. 2018. Vol. 3, № 4. P. 267–278. DOI: https://www.doi.org/10.1038/s41560-018-0107-2

4. Choi J. W., Aurbach D. Promise and reality of post-lithium-ion batteries with high energy densities // Nat. Rev. Mater. 2016. Vol. 1, № 4. P. 1–16. DOI: https://www.doi.org/10.1038/natrevmats.2016.13

5. Schipper F., Aurbach D. A brief review : Past, present and future of lithium ion batteries // Russ. J. Electrochem. 2016. Vol. 52, № 12. P. 1229–1258. DOI: https://www.doi.org/10.1134/S1023193516120120

6. Xu K. Electrolytes and interphases in Li-ion batteries and beyond // Chem. Rev. 2014. Vol. 114, № 23. P. 11503–11618. DOI: https://www.doi.org/10.1021/cr500003w

7. Wang Y., Zhong W. H. Development of electrolytes towards achieving safe and highperformance energystorage devices : A review // ChemElectroChem. 2015. Vol. 2, № 1. P. 22–36. DOI: https://www.doi.org/10.1002/celc.201402277

8. Ярмоленко О. В., Юдина А. В., Игнатова А. А. Современное состояние и перспективы развития жидких электролитных систем для литий-ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2016. Т. 16, № 4. С. 155–195. DOI: https://www.doi.org/10.18500/1608-4039-2016-16-4-155-195

9. Кулова Т. Л., Скундин А. М. Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2017. Т. 17, № 2. С. 61–88. DOI: https://www.doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-2-61-88

10. Бушкова О. В., Ярославцева T. В., Добровольский Ю. А. Новые соли лития в электролитах для литий-ионных аккумуляторов (обзор) // Электрохимия. 2017. Т. 53, № 7. С. 763–787. DOI: https://www.doi.org/10.7868/S0424857017070015

11. Electrolytes for lithium and lithium-ion batteries / eds. T. R. Jow, K. Xu, O. Borodin, M. Ue. New York : Springer, 2014. 476 p. DOI: https://www.doi.org/10.1007/978-1-4939-0302-3

12. Spotnitz R. Separators for Lithium-Ion Batteries // Handbook of Battery Materials. 2nd ed. / eds. C. Daniel, J. O. Besenhard. Wiley-VCH Verlag, 2011. P. 693–717. DOI: https://www.doi.org/10.1002/9783527637188.ch19 URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527637188.ch19

13. Zhang S. S. A review on the separators of liquid electrolyte Li-ion batteries // J. Power Sources. 2007. Vol. 164. P. 351–364. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.10.065

14. Deng N., Kang W., Liu Y., Ju J., Wu D., Li L., Hassan B. S., Cheng B. A review on separators for lithiumsulfur battery : progress and prospects // J. Power Sources. 2016. Vol. 331. P. 132–155. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.09.044

15. Nestler T., Schmid R., Munchgesang W., Bazhenov V., Schilm J., Leisegang T., Meyer D. C. Separators – Technology review : Ceramic based separators for secondary batteries // AIP Conf. Proc. 2014. Vol. 1597, № 1. P. 155–184. DOI: https://www.doi.org/10.1063/1.4878486

16. Arora P., Zhang Z. Battery separators // Chem. Rev. 2004. Vol. 104, № 10. P. 4419–4462. DOI: https://www.doi.org/10.1021/cr020738u

17. Chen H., Ling M., Hencz L., Ling H. Y., Li G., Lin Z., Liu G., Zhang S. Exploring chemical, mechanical, and electrical functionalities of binders for advanced energy-storage devices // Chem. Rev. 2018. Vol. 118, № 18. P. 8936–8982. DOI: https://www.doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00241

18. Lestriez B. Functions of polymers in composite electrodes of lithium ion batteries // C. R. Chim. 2010. Vol. 13, № 11. P. 1341–1350. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.crci.2010.01.018

19. Ma Y., Ma J., Cui G. Small things make big deal : Powerful binders of lithium batteries and post-lithium batteries // Energy Storage Mater. 2019. Vol. 20. P. 146–175. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.ensm.2018.11.013

20. Chou S.-L., Pan Y., Wang J. Z., Liu H. K., Dou S. X. Small things make a big difference : binder effects on the performance of Li and Na batteries // Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. Vol. 16, № 38. P. 20347–20359. DOI: https://www.doi.org/10.1039/C4CP02475C

21. Nagai A. Applications of PVdF-related materials for lithium-ion batteries // Lithium-ion batteries : Science and technologies / eds. M. Yoshio, R. J. Brodd, A. Kozawa. New York : Springer, 2009. P. 155–162. DOI: https://www.doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4

22. Yamamoto H., Mori H. SBR binder (for negative electrode) and ACM binder (for positive electrode) // Lithium-ion batteries : Science and technologies / eds. M. Yoshio, R. J. Brodd, A. Kozawa. New York : Springer, 2009. P. 163–180. DOI: https://www.doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4

23. Mazouzi D., Karkar Z., Hernandez C. R., Manero P. J., Guyomard D., Roue L., Lestriez B. Critical roles of binders and formulation at multiscales of silicon-based composite electrodes // J. Power Sources. 2015. Vol. 280. P. 533–549. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.01.140

24. Choi N.-S., Ha S.-Y., Lee Y., Jang J. Y., Jeong M.-H., Shin W. C., Ue M. Recent progress on polymeric binders for silicon anodes in lithium-ion batteries // J. Electrochem. Sci. Technol. 2015. Vol. 6, № 2. P. 35–49. DOI: https://www.doi.org/10.5229/JECST.2015.6.2.35

25. Тагер А. А. Физикохимия полимеров. М. : Химия, 1978. 544 с.

26. Семчиков Ю. Д. Высокомолекулярные соединения. М. : ИЦ «Академия», 2010. 368 с.

27. PVDF electrode binders & separator coatings, 2018. URL: https://www.extremematerials-arkema.com/export/sites/technicalpolymers/.content/medias/downloads/brochures/kynar-brochures/2017-new-kynar-battery-brochure-optimized.pdf (дата обращения: 20.01.2020).

28. High performance binder for electrode. Kyreha KF polymer, 2016. URL: https://www.kureha.co.jp/en/business/material/pdf/KFpolymer_BD_en.pdf (дата обращения: 20.01.2020).

29. High performance materials for batteries, 2017. URL: https://www.solvay.com/sites/g/files/srpend221/files/tridion/documents/High-Performance-Materials-for-Batteries_EN.pdf.pdf (дата обращения: 20.01.2020).

30. Styrene-butadiene rubber and polyvinylidene fluoride based binders. URL: https://www.targray.com/li-ion-battery/anode-materials/binders (дата обращения: 20.01.2020).

31. Zhang S. S., Xu K., Jow T. R. Poly (acrylonitrile-methyl methacrylate) as a non-fluorinated binder for the graphite anode of Li-ion batteries // J. Appl. Electrochem. 2003. Vol. 33, № 11. P. 1099–1101. DOI: https://www.doi.org/10.1023/A:1026225001109

32. SolefPVDF aqueous dispersions for lithium batteries. URL: https://www.rhodia.com.br/pt/binaries/Solef-PVDF-Aqueous-Dispersions-for-Lithium-Batteries_EN-229550.pdf (дата обращения: 20.01.2020).

33. Water based cathode binder, 2020. URL: https://www.jsrmicro.be/emerging-technologies/battery-binder/water-based-cathode-binder (дата обращения: 20.01.2020).

34. Binders for lithium ion rechargeable batteries. URL: http://www.zeon.co.jp/business_e/enterprise/imagelec/battery.html (дата обращения: 20.01.2020).

35. Introduction of LA132 aqueous binder. URL: http://www.cd-ydl.com/en/index.php?go=product-6.html (дата обращения: 20.01.2020).

36. Introduction of LA133 aqueous binder. URL: http://www.cd-ydl.com/en/index.php?go=product-8.html (дата обращения: 20.01.2020).

37. Wu Q., Ha S., Prakash J., Dees D. W., Lu W. Investigations on high energy lithium-ion batteries with aqueous binder // Electrochim. Acta. 2013. Vol. 114. P. 1–6. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.068

38. Tanabe T., Gunji T., Honma Y., Miyamoto K., Tsuda T., Mochizuki Y., Kaneko S., Ugawa S., Lee H., Ohsaka T., Matsumoto F. Preparation of water-resistant surface coated high-voltage LiNi0.5Mn1.5O4 cathode and its cathode performance to apply a water-based hybrid polymer binder to Li-Ion batteries // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 224. P. 429–438. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.electacta.2016.12.064

39. Zhong H., Sun M., Li Y., He J., Yang J., Zhang L. The polyacrylic latex : an efficient water-soluble binder for LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode in li-ion batteries // J. Solid State Electrochem. 2016. Vol. 20, № 1. P. 1–8. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s10008-015-2967-8

40. Su M., Liu S., Wan H., Dou A., Liu K., Liu Y. Effect of binders on performance of Si/C composite as anode for Li-ion batteries // Ionics. 2019. Vol. 25, № 5. P. 2103–2109. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s11581-018-2611-6

41. Wang W., Yue X., Meng J., Wang X., Zhou Y., Wang Q., Fu Z. Comparative study of water-based LA133 and CMC/SBR binders for sulfur cathode in advanced lithiumsulfur batteries // J. Phys. Chem. C. 2019. Vol. 123, № 1. P. 250–257. DOI: https://www.doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b10736

42. Dikshit A. K., Nandi A. K. Thermoreversible gelation of poly (vinylidene fluoride) in diesters : Influence of intermittent length on morphology and thermodynamics of gelation // Macromolecules. 2000. Vol. 33, № 7. P. 2616–2625. DOI: https://www.doi.org/10.1021/ma990898g

43. Wachtler M., Wagner M. R., Schmied M., Winter M., Besenhard J. O. The effect of the binder morphology on the cycling stability of Li-alloy composite electrodes // J. Electroanal. Chem. 2001. Vol. 510, № 1–2. P. 12–19. DOI: https://www.doi.org/10.1016/S0022-0728(01)00532-0

44. Yoo M., Frank C. W., Mori S. Interaction of poly(vinylidene fluoride) with graphite particles. 1. Surface morphology of a composite film and its relation to processing parameters // Chem. Mater. 2003. Vol. 15, № 4. P. 850–861. DOI: https://www.doi.org/10.1021/cm0209970

45. Yoo M., Frank C. W., Mori S., Yamaguchi S. Interaction of poly(vinylidene fluoride) with graphite particles. 2. Effect of solvent evaporation kinetics and chemical properties of PVDF on the surface morphology of a composite film and its relation to electrochemical performance // Chem. Mater. 2004. Vol. 16, № 10. P. 1945–1953. DOI: https://www.doi.org/10.1021/cm0304593

46. Muller M., Pfaffman L., Jaiser S., Baunach M., Trouillet V., Scheiba F., Scharfer P., Schabel W., Baue W. Investigation of binder distribution in graphite anodes for lithium-ion batteries // J. Power Sources. 2017. Vol. 340. P. 1–5. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.11.051

47. Park C.-K., Kakirde A., Ebner W., Manivannan V., Chai C., Ihm D.-J., Shim Y.-J. High temperature stable lithium-ion polymer battery // J. Power Sources. 2001. Vol. 97–98. P. 775–778. DOI: https://www.doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00606-1

48. Goren A., Costa C. M., Silva M. M. Lanceros-Mendez S. Influence of fluoropolymer binders on the electrochemical performance of C-LiFePO4 based cathodes // Solid State Ionics. 2016. Vol. 295. P. 57–64. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.ssi.2016.07.012

49. Jarvis C. R., Macklin W. J., Macklin A. J., Mattingley N. J., Kronfli E. Use of grafted PVdF-based polymers in lithium batteries // J. Power Sources. 2011. Vol. 97. P. 664–666. DOI: https://www.doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00696-6

50. Zheng M., Fu X., Wang Y., Reeve J., Scudiero L., Zhong W.-H. Poly(vinylidene fluoride)-based blends as new binders for lithium-ion batteries // ChemElectroChem. 2018. Vol. 5, № 16. P. 2288–2294. DOI: https://www.doi.org/10.1002/celc.201800553

51. Wang Y., Zhang L., Qu Q., Zhang J., Zheng H. Tailoring the interplay between ternary composite binder and graphite anodes toward high-rate and long-life Li-ion batteries // Electrochim. Acta. 2016. Vol. 191. P. 70–80. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.025

Поступила в редакцию: 
29.04.2020
Принята к публикации: 
14.05.2020
Опубликована: 
30.09.2020