Обзор
Рынок литий-ионных аккумуляторов (LIB) переживает беспрецедентный рост, обусловленный распространением электромобилей (EV) и использованием систем хранения энергии из возобновляемых источников. Мировые производственные мощности по выпуску LIB превысили 1 200 ГВт·ч в 2024 году и, по прогнозам, к 2030 году достигнут более 4 000 ГВт·ч. Специализированные химические вещества играют ключевую роль на всех этапах производственной цепочки аккумуляторов — от полимеризации связующего вещества для электродов до синтеза электролита и функционализации сепаратора.
К ключевым химическим задачам при производстве аккумуляторов относятся: достижение сверхвысокой чистоты (аккумуляторный класс, <10 ppm примесей отдельных металлов), контроль молекулярной массы полимерного связующего для обеспечения оптимальной адгезии электродов, разработка термостабильных добавок к электролиту и производство передовых покрытий для сепараторов, повышающих безопасность.
Применение химических веществ в производстве аккумуляторов
Специализированные химические вещества используются на различных этапах производства аккумуляторов:
- Полимеризация связующего вещества для электродов: для связующих веществ на основе PVDF (поливинилиденфторида) и SBR/CMC требуются инициаторы контролируемой полимеризации. Инициаторы AZO используются при производстве латексного связующего вещества на основе SBR.
- Промежуточные продукты для электролита: для синтеза гексафторфосфата лития (LiPF₆) требуются фторидные химикаты высокой чистоты. Органические карбонатные растворители (EC, DMC, EMC) требуют катализаторов очистки.
- Покрытия сепараторов: для нанесения керамических покрытий (Al₂O₃, SiO₂) на полиолефиновые сепараторы используются полимерные связующие, отверждаемые с помощью пероксидных или AZO-инициаторов.
- Обработка токосборников: для поверхностной обработки алюминиевой и медной фольги используются специальные травильные растворы и химикаты для пассивации.
- Управление тепловым режимом: в материалах с фазовым переходом (PCM) и теплопроводящих интерфейсных материалах используются полимерные матрицы, сшитые пероксидами.
Рекомендации по продуктам
| Продукт | Химическое название | Номер CAS | Применение в аккумуляторах |
|---|---|---|---|
| AIBN | Азобис(изобутиронитрил) | 78-67-1 | Латекс SBR в качестве связующего вещества для анода |
| Пероксид DCP | Дикумилпероксид | 80-43-3 | Сшивающий агент PE для сепаратора |
| Фторид для электронной промышленности | Фториды высокой чистоты | Различные | Синтез электролита LiPF₆ |
| Перодокс BIPB | Бис(трет-бутилпероксиизопропил)бензол | 2212-81-9 | Отверждение теплопроводящего интерфейсного материала |
| Карбонат лития | Li₂CO₃ (аккумуляторный) | 554-13-2 | Прекурсор катода (NCM, LFP) |
Сравнение: системы связующих веществ для электродов литиевых аккумуляторов
| Параметр | PVDF (катод) | SBR/CMC (анод) | Акриловая на водной основе |
|---|---|---|---|
| Система инициаторов | Не применимо (эмульсионная полимеризация) | AIBN/AZO | ACVA (растворимый в воде) |
| Растворитель | NMP (токсичный, подлежит вторичной переработке) | Вода | Вода |
| Прочность сцепления | Отличная | Хорошая | Умеренная |
| Электрохимическая стабильность | Отличная (4,2 В+) | Хорошая (<1,0 В по отношению к Li) | Хорошая (<3,0 В) |
| Стоимость | Высокая (15–25 долл./кг) | Низкая ($3–5/кг) | Низкая (3–6 долл./кг) |
| Воздействие на окружающую среду | Высокое (NMP) | Низкое (вода) | Низкое (вода) |
Пример из практики: Повышение адгезии связующего вещества анода для электродов с высоким содержанием кремния
Производитель аккумуляторов занимался разработкой анодов с высокой энергетической плотностью и содержанием кремния 15 % (SiOₓ). Используемое ими связующее SBR/CMC демонстрировало низкую циклическую стабильность (сохранение емкости на уровне 70 % после 300 циклов) из-за объемного расширения кремния во время литирования/делитирования, что приводило к отслоению связующего.
Решение: Компания Do Sender Chem рекомендовала оптимизированный латекс SBR, синтезированный с использованием инициатора AIBN при точном содержании 0,4 % по массе, что позволило получить SBR с узким PDI (1,5) и молекулярной массой Mw 250 000. Улучшенный связующий материал продемонстрировал превосходную эластичность и адгезию к частицам кремния.
Результаты:
- Сохранение ёмкости после 300 циклов: 88 % (по сравнению с 70 %)
- Кулоновская эффективность в первом цикле: 92,5 % (по сравнению с 89 %)
- Прочность электрода на отрыв: 4,2 Н/м (по сравнению с 2,8 Н/м)
- Набухание электрода после 100 циклов: 8 % (с 15 %)
Требования к чистоте и контроль качества
Химические вещества батарейного качества требуют строгого контроля чистоты: (1) содержание примесей металлов (Fe, Cu, Ni, Cr) должно быть <10 ppm для каждого, чтобы предотвратить внутренние коротких замыканий; (2) содержание воды в растворителях электролита должно быть <20 ppm; (3) содержание свободной кислоты в перекисях должно быть <100 ppm для предотвращения коррозии электродов; (4) размер частиц твердых добавок должен соответствовать D50 <1 μm для обеспечения равномерной дисперсии. Компания Do Sender Chem предоставляет полный сертификат анализа (CoA) с результатами анализа содержания металлов методом ICP-MS для каждой партии химикатов батарейного качества.