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盘点这些年想要替代NMP成为锂电池阴极制备材料的溶剂! ——NMP一直在被计划取代,但一直未成功!

发表时间:2022-11-15 10:18作者:智慧丰泽&泽晟新材

——NMP一直在被计划取代,但一直未成功!

智慧丰泽&泽晟新材生产供应的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP溶剂,是新能源行业中的动力电池(锂电池)制备过程中,正极材料中常用到的有机溶剂。但由于NMPN-甲基-2-吡咯烷酮)溶剂被欧盟认为是对人体有害的,从而在一些国家的使用上受到了限制。


为此,智慧丰泽&泽晟团队研发生产了配套使用的NMP回收设备(根据电池厂的具体需求而量身定制)。不仅可以避免NMPN-甲基-2-吡咯烷酮)废液流入环境中(环保),还能避免工作人员意外接触到NMP废液(保护员工健康),更能为电池厂节省不必要的开支(废液可以回收并提纯再利用)。一石三鸟!


但即使是这样,还是有不少实验室致力于寻找可替换NMPN-甲基-2-吡咯烷酮的有机溶剂。编辑今天就与大家一起盘点一下,这些年蠢蠢欲动想要取代NMP的溶剂。


1-Methyl-2-pyrrolidinone.png


*有哪些溶剂企图要顶替NMP的江湖地位?!


二甲基甲酰胺(DMF【内容来自于网络,具体出处不可考证】

编辑通过搜索了解到,DMF是其中一个被研究来替换NMP的溶剂。为什么呢?

因为DMF拥有较低的沸点和较高的着火点可显著降低电极干燥所需的能耗,提高生产过程的安全性。

此外,DMF较低的表面张力和粘度能够改善集流体的润湿性,提高正极浆料中固体材料的浓度。

咋一看,DMF确实是一款不错的溶剂。

为了验证DMF作为NMP替代品的适用性,芬兰奥卢大学的Rafal Sliz等人,使用丝网印刷技术,以NMC523NMC88 NMCLiNixMnyCozO2)为活性物质,对DMF溶剂进行研究。

研究结果表明,DMF可以在不影响电池性能的情况下,有效取代NMC正极制造工艺中常用的NMP溶剂。


重点在这里:使用NMP刮刀涂覆和DMF丝网印刷的电池,经过1000次循环后,NMC523NMC88电池的容量保持率为87%90%

此外,使用低沸点DMF溶剂代替NMPN-甲基-2-吡咯烷酮可以将电池的干燥能耗降低四倍,从而实现更环保的电池生产过程。

但实际上,现在有电池厂使用DMF溶剂替换了NMP溶剂了吗?还未可知,如果有知情者,欢迎留言。


绿色的溶剂二氢左旋葡萄糖苷Cyrene)来自诺奖得主Whittingham最新成果

二氢左旋葡萄糖苷(Cyrene)是一种新的生物基溶剂,源自纤维素,于2014年首次被报道。它的分子中不包含任何氮和硫杂原子,比普通的极性非质子溶剂环保得多。

比较研究表明,Cyrene的溶剂性质与NMP非常相似,因此是一种有望取代NMP的溶剂。

但是编辑查看了完整的实验报告,在具体操作中,Cyrene溶剂并不能完美超越NMP溶剂。因此这也只是一个备胎。


二甲基亚砜(DMSO)

2020年二甲基亚砜(DMSO)被报道是一种可以替代NMP,能实现在低毒条件下溶解PVDF粘合剂来制备阴极。但是,由于DMSO结构中存在硫,因此无法避免潜在的污染。

并且,一款溶剂是否可以取代NMPN-甲基-2-吡咯烷酮成为锂电池的正极材料,还要看它是否可以被回收。编辑通过搜索得知,二甲基亚砜(DMSO)可以被回收提纯,但是目前还没有研制出合适的回收设备。因此,暂时也无法成为替换NMP的溶剂。


用水取代NMPN-甲基-2-吡咯烷酮溶剂

用水替代NMP溶剂的方法不仅解决了毒性问题,而且降低了阴极制造的成本。

然而,水系调浆工艺也存在许多挑战,其要求水溶性粘合剂能够提供与PVDF相同的特性和稳定性。

例如高的化学和电化学稳定性,强的内聚力和粘附力以及涂覆电极的柔韧性。

尽管一些报道水系制备的阴**有良好的性能,但它们通常具有超低的容量;且一旦增加质量负载,电极将产生裂纹,限制了对电池高能量密度的追求。


水系调浆面临的第二个主要问题是,阴极材料会与水的反应。

目前几乎所有的阴极材料都可以与水反应,这对于目前流行的含镍过渡金属氧化物阴极而言更为严重,并且随着镍含量的增加,反应会越来越严重。

与水的反应可导致锂从活性颗粒表面浸出,导致可循环锂的损失,表面镍的减少,甚至在表面上形成岩盐层。此外,NCM与水反应会导致浆料的pH值增加,从而腐蚀铝集流体,从而导致许多问题,例如氢气释放,Al(OH)3的形成等而失去了对集流体的附着力。

还有研究发现,将NMC浸入水中可能会削弱次级颗粒的完整性,在进行机械搅拌过程中导致颗粒间破裂成较小的团块,甚至单个初级颗粒。因此,水系调浆工艺广泛用于石墨阳极,但尚未被阴极采用。


来自泽晟新材研发团队老大的一锤定音:但它们一直未成功!

在业界确实暂时没有听闻NMP溶剂被替换的消息。编辑查看了相关的实验,实际上以上这几种溶剂都未能完全取代NMPN-甲基-2-吡咯烷酮在电池正极材料中的江湖地位。在研究实验中,多多少少都会存在各种各样的问题。据编辑了解,目前只有水系电池以水为溶剂;以及电池的负极(阳极)材料中,以去离子水为溶剂。


下一篇文章,我们一起来看实验分析吧。





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