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NMP(N-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NMP(N-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NMP(N-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。
*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NMC523和NMC88 (NMC:LiNixMnyCozO2)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,NMC523和NMC88电池的容量保持率为87%和90%。 此外,使用低沸点DMF溶剂代替NMP(N-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的最新成果) 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NMP(N-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NMP(N-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NMP(N-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。 更多文章: |