I.ポリアクリレート（PAA）バインダーの特性と利点
電解質溶媒の腫れが最小限に抑えられています。膨張が低く、電荷\/放電サイクル中に電極シートの構造的完全性を維持します。
カルボキシル基の高い割合：極性カルボキシル基の高密度は、ヒドロキシル含有活性材料と強い水素結合を形成し、分散安定性を高めます。
連続フィルムの形成：材料表面に均一なフィルムを作成し、アクティブ材料と現在のコレクターとの接触を改善します。
優れた機械的安定性：電極製造中の処理の容易さを促進します。
SEIの形成とサイクリング性能の強化：極性官能基の高濃度は、シリコン材料の表面との水素結合を促進し、安定した固体電解質間期（SEI）層の形成を支援し、優れたサイクル寿命をもたらします。
ii。開発の課題
電極用の従来のPAA（ポリアクリル酸）バインダーシステムは、通常、架橋PAAポリマーをアノードバインダーとして利用します。高分子量ポリマーとして、PAAは優れた接着、分散安定性、腐食阻害を提供します。アノードスラリー内のネットワーク構造を安定させ、活性材料の均一な分散を保証し、電極シートの寿命を延長します。
ただし、極性官能基は、PAAの長い分子鎖内の水素結合を促進します。これにより、チェーンの自由回転が制限され、剛性が向上します。その結果、PAAベースの電極シートは一般に、靭性が低いことを示します。これにより、サイクリング中のアクティブ材料の体積拡大によって引き起こされるストレスに耐える能力が損なわれ、細胞巻きプロセスが妨げられ、最終的にバッテリーの電気化学パフォーマンスの改善が制限されます。
iii。バッテリーグレードPAAの実際のアプリケーションにおける研究慣行
1。ナトリウムイオンバッテリーハードカーボンアノード
ナトリウムイオン電池（SIBS）のハードカーボンアノードの製造業者は、PAAバインダーに厳しい要件を課しています。高品質で非常に柔軟なPAAバインダーは、ハードカーボンアノードの構造的完全性を保護するために重要です。
現在のSIBハードカーボンアノード市場では、標準以下のPAAバインダーを使用すると、内部抵抗が上昇するリスクが大幅に増加し、バッテリーの効率と信頼性に悪影響を及ぼします。逆に、プレミアムで非常に柔軟なPAAバインダーは、これらの問題を効果的に軽減します。
柔軟なPAAバインダーの電気化学パフォーマンス、導電率、環境適応性、腐食抵抗も重要な要因であり、最終的なハードカーボンアノード製品の品質に直接影響を与えます。
固有の特性を超えて、実用アプリケーションは、バインダー特性、固体含有量、接着強度、pHレベルなどのパフォーマンスパラメーターに重点を置いています。これらのパラメーターは、ハードカーボンアノードの運用効率と直接相関しています。
2。シリコンベースのアノード
シリコンベースのリチウムイオンバッテリーアノードは、従来のグラファイトよりも数桁高い特定の容量を提供します。ただし、シリコンとリチウムとの電気化学的合金\/取引中の大幅な体積変化により、安定したシリコンアノードの形成は困難です。シリコンアノードの安定性を改善するには、バインダーの選択と最適化が不可欠です。ほとんどの研究では、カルボキシメチルセルロース（CMC）およびフッ化物ビニリデン（PVDF）バインダーを利用しています。
実験的研究の重要な体は、純粋なPAAがCMCに匹敵する機械的特性を持っているが、カルボキシル官能基の濃度が高いことを示しています。これにより、PAAはSIアノードのバインダーとして機能し、優れたパフォーマンスを提供できます。
研究はさらに、ゾードの安定性に対するカーボンコーティングのプラスの影響を実証しています。カーボンコーティングされたSiナノポーダーアノード（0}。01と1 V. li\/li+の間でテストされた）、15 wt％のレベルにPAAを組み込むことは、最初の100サイクルにわたって並外れた安定性を示します。これらの調査結果は、ポリビニルアルコール（PVA）シリーズのような新しいバインダーを探索するための新しい道を開きます。
PAAを他の材料と架橋することは、AA-CMC架橋バインダー、PAA-PVA架橋バインダー、PAA-PANI（ポリアニリン）架橋バインダー、EDTA-PAAバインダーなど、新しい開発方向を表しています。
3。PVA-G-PAA（PVA-GRAFTED-PAA）
新しい水溶性バインダーであるPVA-G-PAAは、非常に柔軟なPVA（ポリビニルアルコール）の側鎖にPAAをグラフトすることにより合成されます。この機能的なグループの変更は、PVAの優れた接着特性を活用しながら、PAAバインダーシステムの柔軟性を高めます。
この自由ラジカル移植重合は弾力性をもたらし、純粋なPAAバインダーの構造的な制限を補正します。
電極シート製造中、ローリングコンパクションは、シートの定義された長さセグメント全体でさまざまなローラー圧力を使用して連続的に実行されます。このプロセスは、シートの靭性を高め、変形を最小限に抑え、電極比容量の増加、速度能力の向上、バッテリーサイクルの寿命の延長を促進します。
4。PAAPrelitiation（LIPAA）
シリコンカーボン（SI-C）材料の適用は、アノードバインダーおよび導電性剤システムに高い要求を課します。従来の剛性PVDFバインダーは、SIアノードには適していません。アクリルPAAバインダーには、SI表面上の官能基と水素結合を形成し、SEI形成を促進し、SIアノードのサイクル寿命を大幅に改善できる多数のカルボキシル基が含まれています。したがって、PAAバインダーはSIアノードに非常に効果的です。
研究によると、リチウムポリアクリレート（LIPAA）はPAA自体よりも優れていますが、根本的な理由は不明でした。 Lipaaの優れたパフォーマンスの背後にあるメカニズムを解明するために、広範な研究が行われました。
15％Nano-SI、73％人工グラファイト、2％のカーボンブラック、および10％バインダー（PAAまたはLIPAA）で構成される電極が研究されました。最初の乾燥後、100-200程度の二次乾燥ステップを実行して、残留水分を完全に除去しました。コイン細胞テストにより、LIPAAベースのアノードでは〜790 mAh\/gの容量と、PAAベースのアノードでは610 mAh\/gの容量が明らかになりました。
NMC532カソードを使用した完全なセルのサイクルパフォーマンス曲線
図A：LIPAAバインダーの細胞は、サイクル性能と二次乾燥温度の間に有意な相関関係がないことを示しています。 NMC532カソードは、C\/3で127 mAh\/gの初期容量を提供し、90サイクル後に〜91 mAh\/gに低下しました。
図B：PAAバインダーの細胞は、二次乾燥温度（120度赤、140度の金、160度緑、180度青）に明確な依存を示します。 160度乾燥PAA細胞は初期容量が最も高く、120度乾燥した細胞が最低であることを示しましたが、160度の乾燥細胞は最速で速く分解され、90サイクル後に約62 mAh\/gに達しました。 140度の乾燥細胞はゆっくりと分解され、〜71 mAh\/gを維持しました。
ファーストサイクルクーロン効率（CE）：LIPAA細胞は〜84％を達成しました（200度のLIPAA細胞のみがわずかに低いのは82％でした）。クーロン効率は、最初の5サイクルで急速に約99.6％に増加しました。 PAA細胞は〜80％の最初のサイクルCE（180度PAA細胞のみが〜75％で有意に低かった）を達成し、99.6％CEに達するには〜40サイクルが必要でした。
50％の放電深度（DOD）でのパルス排出試験により、LIPAA細胞[下の図を参照]と比較して、LIPAA細胞の内部抵抗が大幅に低下し、LIPAAの二次乾燥温度との明らかなリンクはありませんでした。対照的に、PAA細胞耐性は、より高い二次乾燥温度で顕著に増加しました。
Kevin A. Hays [下記の図を参照]による熱重量分析（TGA）LipaaおよびPaa陽極の2つの主要な脱水段階を特定しました：1）自由水除去（〜40度）、2）吸着水除去（LIPAA〜75度、PAA〜125度）。追加の減量ピークは、140-208程度と85-190程度の間のLIPAAの間のPAAに対して発生しました。この反応は、LiPAAではあまり顕著ではありません。ここで、Liはカルボキシル基の約80％でHを置き換えます。
PAAカルボキシル基の高温重合は、PAAとSIの間の相互作用を弱める可能性があり、高温乾燥PAAアノードのサイクル性能が低いことを潜在的に説明する可能性があります。しかし、皮の強度テストでは、PAAの接着は乾燥温度が高くなると低下しますが、LIPAA全体よりも高いままであり、他の要因がLIPAAの優れたサイクリングに寄与することを示唆しています。
ⅳ。結論
この研究は、PAAのサイクルパフォーマンスを制限する重要な要因として、電気化学的安定性の低さを特定しています。低電位では、PAAは部分的な変換を受けますリパ、水素ガスの生成：
PAA + ... ->lipaa +h₂
この反応は、LIPAA細胞（〜84％）と比較してPAA細胞の最初のサイクルCE（〜80％）と、かなり長い時間（〜40サイクル対。<5 cycles) required for PAA cells to achieve high Coulombic efficiency (99.6%).
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