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Enhanced capacity and thermal safety of lithium-ion battery graphite anodes with conductive binder

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作者
Daniel A. Gribble,Evan McCulfor,Zheng Li,Mihit H. Parekh,Vilas G. Pol
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:553: 232204-232204 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.232204
摘要

Thermal safety is critical for marketable batteries. Numerous safety incidents from graphite anode instability impede lithium-ion battery (LIB) use for large-scale energy storage. Herein, we compare thermal safety and electrochemical performance of graphite anodes with commercial conducting polymer poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) and standard polyvinylidene fluoride (PVDF) binders. Thermal analyses with differential scanning calorimetry (DSC) elucidates thermal runaway mechanisms. Reduced wettability of the PEDOT:PSS binder and lower specific surface area of the graphite anode composite contributes to less heat generation from solid electrolyte interphase (SEI) decomposition as compared to PVDF between 100 and 150ۥ°C, particularly when carbon black (CB) additive is excluded, evolving 143, 37.5, and 102 J g −1 for PVDF/CB, PEDOT:PSS, and PEDOT:PSS/CB composite binders, respectively. Additionally, conducting binders provide enhanced stability against Li X C 6 , generating less than 16% of the 728 J g −1 from the PVDF/CB graphite anode. In full-cell thermal safety studies with LiCoO 2 (LCO) cathode using multimode calorimetry (MMC), this reduces heat generation at temperatures (<140 °C) where thermal runaway may still be circumvented. Electrochemical performance is not sacrificed as PEDOT:PSS/CB provides improved capacity (400 vs. 360 mAh g −1 after 100 cycles at C/5) and kinetics (260 and 189 mAh g −1 at 1C) over PVDF/CB. • Conducting PEDOT:PSS binder enhances capacity and thermal safety over PVDF. • PEDOT:PSS with low wettability effectively coats graphite particles. • PEDOT:PSS layer protects reactive anode from electrolyte contact at elevated temperatures. • SEI heat generation is linked to anode surface area. • Removing high surface area carbon black can significantly enhance safety.
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