リチウムイオン二次電池用複合電極における導電性カーボンブラック充填水性高分子バインダーの機械的健全性

Mechanical Integrity of Conductive Carbon-Black-Filled Aqueous Polymer Binder in Composite Electrode for Lithium-Ion Battery.

• Kehua Peng
• Yaolong He
• Hongjiu Hu
• Shufeng Li
• Bao Tao

抄録

水性バインダー・導電性複合材料（BCC）の機械的安定性は、先進的な二次電池における複合電極の長期使用の基礎となる。本研究では、複合電極中のBCCの電気化学動作時における応力変化を評価するために、活物質と固体電解質界面(SEI)を閉じたBCCからなる多層球状粒子の電気化学的機械モデルを構築した。リチウム拡散誘起応力分布を、SEIの影響と無機フィラー添加高分子結合材料の粘弾性とを結合させて詳細に調べた。その結果、複合電極の損傷の有無を決定する上で、引張フープ応力が重要な役割を果たしており、円周方向のクラックは、他の電極構成要素ではなく、主にBCCに発生する可能性があることがわかった。さらに、BCCのピーク引張応力はSEIとの界面にあり、高分子複合材料の緩和性のため、完全なリチエーションでは発生しません。さらに、SEIの存在を無視した場合、機械的損傷は大きく誤解されることになる。最後に、バインダーと導電性システムの構造健全性は、(1)セル容量の要求を満たすために、カーボンブラックの含有量を可能な限り増加させること、(2)SEIの弾性率をBCCの弾性率以下に低下させること、(3)リチエート率を低下させることによって、効果的に改善することができます。

The mechanical stability of aqueous binder and conductive composites (BCC) is the basis of the long-term service of composite electrodes in advanced secondary batteries. To evaluate the stress evolution of BCC in composite electrodes during electrochemical operation, we established an electrochemical-mechanical model for multilayer spherical particles that consists of an active material and a solid-electrolyte-interface (SEI)-enclosed BCC. The lithium-diffusion-induced stress distribution was studied in detail by coupling the influence of SEI and the viscoelasticity of inorganic-filler-doped polymeric bonding material. It was found that tensile hoop stress plays a critical role in determining whether a composite electrode is damaged or not-and circumferential cracks may primarily initiate in BCC, rather than in other electrode components. Further, the peak tensile stress of BCC is at the interface with SEI and does not occur at full lithiation due to the relaxation nature of polymer composite. Moreover, mechanical damage would be greatly misled if neglecting the existence of SEI. Finally, the structure integrity of the binder and conductive system can be effectively improved by (1) increasing the carbon black content as much as possible in the context of meeting cell capacity requirements-it is greater than 27% and 50% for sodium alginate and the mixtures of carboxy styrene butadiene latex and sodium carboxymethyl cellulose, respectively, for composite graphite anode; (2) reducing the elastic modulus of SEI to less than that of BCC; (3) decreasing the lithiation rate.