Alkaline stability of cathode binder for Li ion battery application

Lithium-ion batteries (LIBs) have always attracted a great deal of interest due to their outstanding potential and performances. Today, it is possible to find them in many applications, such as portable electronics and power tools. In addition, electric vehicles and stationary storage occupy a large portion of the market. Throughout the years, the materials which compose batteries have been largely studied and improved to boost the efficiency and the safety of the LIBs. In the present work, the properties of different binders for the cathode, developed by Syensqo SPA, are studied in order to assess alkaline stability and slurry gelation mechanism with the intention of making a rank and understanding the characteristics which influence the gelation process. In particular, the work is focused on the correlation between the polymer properties and the interaction with alkali. The reaction time of the binder with the solvent alkali impurities is a key parameter for obtaining comparable results. By changing the synthesis procedure of the binder, a great difference is observed with regard to the alkali reactivity of the PVDF. In addition, also the degree of functionalization inside the PVDF chains has an impact on alkali reactivity, and in particular a maximum is found at low quantities of functionalization. By adding a base to the binder, the same trend as for alkali impurities is observed despite the fact that higher values of fluorides are obtained. In this case, reaction time also turns out to be a key parameter for the quantification of degradation as well as the base quantity in order to obtain reliable results with the condition of having processable samples to be analyzed: a compromise between these two conditions is found. A degraded and a pristine membrane are analyzed with the intention of understanding the gelation mechanism and how properties are affected by dehydrofluorination (DHF). No cross-linking is observed and this result opens the possibility for further characterization in order to deepen knowledge and understanding of these mechanisms.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno sempre suscitato un enorme interesse per le loro eccezionali potenzialità e prestazioni. Oggi è possibile trovarle in molte applicazioni, come l'elettronica portatile e gli utensili elettrici. Anche i veicoli elettrici e gli accumulatori stazionari occupano un'ampia fetta di mercato. Nel corso degli anni, i materiali che compongono le batterie sono stati ampiamente studiati e migliorati per aumentare l'efficienza e la sicurezza delle LIB. Nel presente lavoro, le proprietà di diversi leganti per il catodo, sviluppati da Syensqo SPA, sono studiate per valutare la stabilità in ambiente alcalino e il meccanismo di gelificazione della slurry con l'intento di fare una classifica e comprendere le caratteristiche che influenzano il processo di gelificazione. In particolare, il lavoro si concentra sulla correlazione tra le proprietà del polimero e l'interazione con i composti alcalini. Il tempo di reazione del legante con le impurità alcaline del solvente è un parametro fondamentale per ottenere risultati comparabili. Cambiando la tecnologia di sintesi del legante si osserva una grande differenza nel contatto con le basi, inoltre anche la quantità di funzionalizzazione mostra un andamento non monotono rispetto alla resistenza ai composti alcalini. Aggiungendo una base al legante si osserva lo stesso andamento delle impurità alcaline, nonostante si ottengano valori più elevati di fluoruri. Anche in questo caso il tempo di reazione si rivela un parametro chiave per la quantificazione della degradazione, così come la quantità di base, al fine di ottenere risultati affidabili con la condizione di avere campioni processabili da analizzare: è necessario trovare un compromesso tra queste due condizioni. Una membrana degradata e una vergine sono state analizzate con l'intento di comprendere il meccanismo di gelificazione e come le proprietà siano influenzate dalla deidrofluorurazione (DHF). Non è stata osservata alcuna reticolazione e questo risultato apre la possibilità a ulteriori caratterizzazioni per approfondire la conoscenza e la comprensione di questi meccanismi.