The Critical Role of NaCMC on Electrode Properties and Cell Performance in Lithium-Ion Batteries

Diese Dissertation umfasst, wie Natriumcarboxymethylcellulose (NaCMC) die Elektrodeneigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien beeinflusst, wobei der Schwerpunkt auf Faktoren wie Haftung, elektrischer Widerstand und Wasserrückhaltevermögen der Anoden liegt. Daran anschließend wird untersucht, wie sich diese Änderungen auf die entsprechenden elektrochemischen Zellen übertragen lassen. Dafür wird zunächst ein Ansatz basierend auf der freien Oberflächenenergie (SFE) verwendet. Damit werden NaCMCs mit unterschiedlichen Substitutionsgraden (DS) untersucht, wobei durch die SFE-Methode Zusammenhänge zwischen den Elektrodeneigenschaften und den Polymereigenschaften geschlossen werden können. ... mehrEin höherer DS verbessert die elektrische Leitfähigkeit aufgrund stärkerer Wechselwirkungen mit dem Leitfähigkeitsadditiv und zeigt gleichzeitig eine hohes Wasserrückhaltevermögen. Im Vergleich dazu verbessert ein niedrigerer DS die Adhäsion durch effektivere Wechselwirkungen mit dem Haftadditiv und dem Stromableiter, während die geringere Wechselwirkung mit den Leitfähigkeitsadditiv zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands führt.
Das einflussreichste Ergebnis dieser Arbeit ist der Einfluss von Gelpartikeln, einer Verunreinigung in NaCMC. Es zeigt sich, dass ein höherer Gehalt an Gelpartikeln das Wasserrückhaltevermögen signifikant erhöht, was die Zellleistung beeinträchtigt, da Nebenreaktionen während der Entstehung der Festelektrolytgrenzfläche (SEI) verstärkt werden. Ein niedriger Gelpartikelgehalt zeigt ein sehr geringes Wasserrückhaltevermögen und liefert die Möglichkeit, die Sekundärtrocknung der Elektroden zu vermeiden, somit den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz in der Herstellung zu verbessern.
Die vielversprechendsten NaCMC-Polymereigenschaftsvarianten zeigen sich bei NaCMC mit niedrigem Molekulargewicht und einem Substitutionsgrad von 0,67. Elektroden mit dieser NaCMC zeigen einen vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand und ein dazu geringes Wasserrückhaltevermögen, welches die besten Zellergebnisse bedeutet. Die Arbeit zeigt außer-dem, wie ein höheres Molekulargewicht die Menge an Restwasser in den Elektroden drastisch erhöht und damit zu einer schlechteren Zellleistung führt.
Darüber hinaus stellt diese Arbeit einen neuen Ansatz für die selektive Färbung von NaCMC mit (Heptadecafluorodecyl)-Trimethoxysilan vor, der die Visualisierung der NaCMC Verteilung in Elektroden mittels EDS ermöglicht.
Insgesamt verändert diese Arbeit die Wahrnehmung von NaCMCs, indem sie die kritische Rolle des Binders bei der Herstellung der Elektroden und den Einfluss auf die Zellleistung hervorhebt. Diese Ergebnisse erlauben es neue Wege für einen effizienteren und effektiveren Einsatz von NaCMCs in der Batterietechnologie, insbesondere für eine mögliche Reduzierung des Herstellungsaufwands und des Energiebedarfs, durch besseres Verständnis der NaCMC zu beschreiten. Zudem sollte der Gelpartikelgehalt in NaCMCs als neue Eigenschaft etabliert werden.

This dissertation explores how sodium carboxymethyl cellulose (NaCMC) impacts electrode properties and battery performance, focusing on key factors such as adhesion, electrical resistance, and water retention. A novel approach based on the Surface Free Energy (SFE) method is used to study NaCMCs with different degrees of substitution (DS), uncovering trends that influence electrode behaviour. Higher DS improves electrical conductivity due to stronger interactions with conductive additives, while showing high water retention. In comparison, lower DS enhances adhesion by interacting more effectively with the adhesive additive and current collector, while the decrease in interaction with conductive additives leads to an increase in electrical resistance.
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An innovative finding in this work is the influence of gel particle impurities in NaCMC, an area previously overlooked in the field. It is discovered that higher gel particle content drastically increases water retention, which impairs battery performance by enhancing unwanted reactions during solid electrolyte interphase (SEI) formation. Low gel particle content shows low water retention, thereby reducing the need for secondary drying, offering a significant opportunity to lower energy consumption and improve manufacturing efficiency.
Among the NaCMC polymer property variations studied, NaCMC with low molecular weight and a degree of substitution of 0.67 emerges as the most promising. It balances low electrical resistance and low water retention to deliver the best cell performance. The dissertation further showcases how higher molecular weight drastically increases water retention of the electrodes and therefore leads to worse cell performance.
Additionally, this work introduces a novel approach for selectively staining NaCMC using (heptadecafluorodecyl) trimethoxysilane, enabling visualization of its distribution in electrodes via EDS. This tool offers valuable insights for optimizing electrode design and improving the manufacturing process.
Overall, this research changes the perception of NaCMCs by emphasizing the critical role of the binder in manufacturing electrodes and the resulting cell performance. These findings open new pathways for more efficient and effective use of NaCMCs in battery technology, particularly in possibly reducing manufacturing complexity and energy demands by understanding the impact of the NaCMC in more detail. This also shows the need for establishing a new key figure for NaCMCs, the gel particle content to understand which property of the NaCMC actually affects the performance.