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Thierry BAERT 18 Mai 2010 – Colloque GFP, Paris LES POLYMÈRES FONCTIONNELS AU COEUR DES BATTERIES DU FUTUR La réponse des polymères de Solvay aux demandes croissantes de matériaux innovants dans les batteries Lithium

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Thierry BAERT18 Mai 2010 – Colloque GFP, Paris

LES POLYMÈRES FONCTIONNELSAU COEUR DES BATTERIES DU FUTURLa réponse des polymères de Solvay aux demandescroissantes de matériaux innovants dans les batteries Lithium

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© 2010, SOLVAY S.A.

Agenda

1. The SOLVAY company

2. The Specialty Polymers of Solvay.

and the offer of the fluoro-materials for the Li Ion batteries

3. Specificities of the Solef® PVDF of Solvay Solexis for

a) Improving capacity with low binder content electrodesb) Utilization of Solef® PVDF in Separators

4. Conclusive summary

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The Solvay Group

Founded in 1863 Headquarters in Brussels19,000 employees in 50 countriesLeading position in most products and markets

2009 results(*)

Sales: EUR 8.5 billion

REBIT: EUR 905 million

(*) results include the Pharma sector, acquired by Abbott, Feb.2010

Plastics2.982 M€

Chemicals2.713 M€

Pharma2.791 M€

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Solvay Solexis within the Solvay Group

Solvay AdvancedPolymers Solvay Solexis Solvay Padanaplast

Chemicals Plastics

Pipes & Fittings (Pipelife)

Vinyls (PVC-S, -E, Cpds)

Fuel Systems (Inergy)

Specialty Polymers

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Specialty Polymers from the Solvay Group

PVC

PMMAPP PE

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The polymers within the Battery industry

Intensive efforts during the last 5 years for active materials.The electro-technical approach of the developments in batteries, to increase the specific energy goes through the increase of – Specific Capacity and– Cell voltage.

Higher cell voltage requires an improved electrochemical stability of – Solvents– Salts– Polymers

• Binders• Separator

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Fluoromaterials serving the Li Batteries Industry

Just as what Li-ion Batteries are technicaly looking for:– Performances– Safety– Long terms

The intrinsic nature of the Fluor atom…– Through

• Strong electronegativity• Low atomic mass and small size

…offer:– Materials that improve safety by their electrochemical stability– Materials that offers long terms performances

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Specificities of Fluoromaterials

FLUORO MONOMERS

VF2TFE

Other Monomers

CF3- Building blocksPharma & Agrochemical

RefrigerantsFoam blowing agentsPropellants, Pharma

Surface treatment,Brazing

Electro-Electronic Ind.Pharma-Agro-Chem. Ind.FLUORSPAR

CaF2(Namibia)

Hydrogen FluorideHF

PVDFPTFE

PFA / MFA®

ECTFEFKM

FFKM

PFPE

HFC• 134a• 143a• 227• 125

HCFC Feedstock• 142b• 22• 123

InorganicFluorides

Nocolok, CryolithF2, SF6, IF5

F1EC

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Specificities of Solef® PVDF from Solvay Solexis

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Specificities of Solef® PVDF

F2 C=C F2F2 C=C F2 + PFVE

PTFE – Algoflon®

PFA – Hyflon® Copolymer of TFE

Fluoro Fluoro PolymersPolymers

Fuel CellsIf functionalized

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Specificities of Solef® PVDF

F2 C=C F2F2 C=C F2 + PFVE

H2 C=C F2

PTFE – Algoflon®

PFA – Hyflon® Copolymer of TFE

E-CTFE – Halar® Copolymer of Ethylen and CTFE

PVDF – Solef® & Hylar®

Fluoro Fluoro PolymersPolymers

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Specificities of Solef® PVDF

F2 C=C F2F2 C=C F2 + PFVE

H2 C=C F2H2 C=C F2 + HFPH2 C=C F2 + CTFE

PTFE – Algoflon®

PFA – Hyflon® Copolymer of TFE

E-CTFE – Halar® Copolymer of Ethylen and CTFE

PVDF – Solef® & Hylar®

PVDF Copolymers Solef® & Hylar®

Fluoro Fluoro PolymersPolymers

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Specificities of Solef® PVDF

F2 C=C F2F2 C=C F2 + PFVE

H2 C=C F2H2 C=C F2 + HFPH2 C=C F2 + CTFE

PTFE – Algoflon®

PFA – Hyflon® Copolymer of TFE

E-CTFE – Halar® Copolymer of Ethylen and CTFE

PVDF – Solef® & Hylar®

PVDF Copolymers Solef® & Hylar®

Fluoro Fluoro PolymersPolymers

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Solef® PVDF is fully integrated in an industrial supply chainWe take advantage of the large number of monomers that we produce to develop an innovative range of fluoropolymersSolvay Solexis is the only worldwide PVDF manufacturer able to take advantage of the two existing production process– Emulsion Hylar® PVDF (Hylar® PVDF produced in US-New Jersey)

• Water based PVDF binders - particle size below 1µm– Suspension Solef® PVDF (Solef® PVDF produced in Europe-France)

• NMP based PVDF binders This provides Solvay Solexis to be among the 2 largest PVDF worldwide manufacturer (and third largest fluoromaterial producer)

Specificities of Solef® PVDF

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Higher capacity with low binder content electrodes

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Higher capacity with low content binder electrodes

Sepa

rato

r

The more ions moving the more electrons

The more active materials the more capacity

The less inactive materials (as binders) the more active materials

But the minimum binders quantity controls the mechanical behaviourof the electrodes. Below a minimum level of binder the internal resistance increases anyway because of loss of conductivity at the collector and the de-cohesion of the electrode.

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Higher capacity with low content binder electrodes

The more ions moving the more electrons

The more active materials the more capacity

The less inactive materials (as binders) the more active materials

But the minimum binders quantity controls the mechanical behaviourof the electrodes. Below a minimum level of binder the internal resistance increases anyway because of loss of conductivity at the collector and the de-cohesion of the electrode.

Res

istiv

ity

Binder contentNEW

Without losing the mechanicalproperties of the electrode

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0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

430Solef 1013

700 Solef 6020

930experim. Solef

Molecular Weight (KDa)

Adh

esio

n (P

ull-o

ff, M

Pa)

High Molecular Weight Improves cohesion of active materials and adhesion to metal collectorOptimized processing conditions are necessary for high molecular weight (due tohigh solution viscosity)

Molecular Weight EffectsMolecular Weight Effects

Higher capacity with low content binder electrodes

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High Molecular Weight This dependances reach a limit when the viscosity of the solution during the coating process reach a too high viscosity.The functionalization of a binder appears to be a unique opportunity.

Molecular Weight EffectsMolecular Weight Effects

Higher capacity with low content binder electrodes

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Ultra-high molecular weightPolar functional groups

⇒ stronger inter-molecular bonds

Better Cohesion Between Binder & Active MaterialImproved Adhesion to Metal Collector

An innovative An innovative polymerationpolymeration technologytechnology

Higher capacity with low content binder electrodes

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Ultra-high molecular weightPolar functional groups

⇒ stronger inter-molecular bonds

Better Cohesion Between Binder & Active MaterialImproved Adhesion to Metal CollectorImproved Energy & Power Performance, because less binder is needed and slurry viscosity can be reduced.

An innovative An innovative polymerationpolymeration technologytechnology

Higher capacity with low content binder electrodes

100

1000

10000

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6%

Binder concentration (%)

Bro

okfie

ld v

isco

sity

at 5

0 rp

m (c

P)

Solef 6020

Solef 5130

Comp. B

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Rated Capability

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

0,1 1 10

Cycle rate

Cap

acity

Solef 5130Solef 6020

Higher capacity with low content binder electrodes

SolefSolef®® 5130 5130 –– New commercial New commercial ProductProduct

Suspension PVDF binder– Enable an significant increase

in capacity– Is a unique material that is

protected by a Solvay Solexis patent.

– Is technically strengthening very well its position on the market

– Is more complex to produce

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Higher capacity with low content binder electrodes

Example of cost repartition in a Li-ion battery

Active materialsBinders

Collector

SeparatorElectrolyte

LargerLarger effecteffect on performance on performance thanthan costcost

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Further developments on Separators

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Development of PVDF for separator

AdvantagesAdvantages ofof PVDF PVDF forfor SeparatorSeparator

controlled leakage of electrolytesdue to swelling ability

easy solution processingcost efficient technology

electrochemical stability0 to 5 V vs Li/Li+

faster wettability of separator

possibility to adapt porosity to ionic conductivityby using different technologies

homopolymer

HFP copolymer

Benefit overallperformance

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Solef® PVDF in Separators

Depending of the type of polymer the affinity with the electrolyte will be different

Crystalline polymers have a lower interaction with the electrolyte so that the ionic conductivity need to be achieved by the right porosity

Copolymer interacts more with electrolytes and will absorbe it increasing the ionic conductivity of the system

0%

50%

100%

150%

200%

250%

Solef 1013 Solef 6020 Solef 21510 Solef 21216 Solef 31508

Wei

ght u

ptak

e %

40°C

80°C According their nature PVDF copolymers present different swelling behavioursSolexis determination of swelling properties in excess of carbonates of PVDF Copolymers

– EC/DMC/DEC (2:2:1) + LiPF6 (1M)

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© 2010, SOLVAY S.A.

AvailableAvailable PVDF PVDF gradesgrades forfor separatorseparator manufacturingmanufacturing

PVDF coating improvesstability of interfaces

high adhesion between electrodes and separatorimproved long term performances

easy lamination during batteries assemblystable processing

Development of PVDF for separator

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AvailableAvailable PVDF PVDF gradesgrades forfor separatorseparator manufacturingmanufacturing

PVDF separator guaranteessafety and performances

possibility to utilize different technologiesselected grades according to manufacturing process

Development of PVDF for separator

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Conclusive summary

Functionalized Polymers increase the possibilities to combine different properties (Electrochemical stability in High Voltage cells and adhesion) and better address need of the battery industry

– This is the case of new binders for Li-ion batteries

The utilization of PVDF as separator can increase the global performances of high voltage cells. Specific requirement for separator are achieved if the functionalities of the polymer are precisely fine tuned to the application.

Other engineering polymer have potential to enlarge the temperature window and the mechanical properties

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To our actual knowledge, the information contained herein is accurate as of the date of this document. However neither Solvay Solexis SpA, nor any of its affiliates makes any warranty, express or implied, or accepts any liability in connection with this information or its use. This information is for use by technically skilled persons at their own discretion and risk and does not relate to the use of this product in combination with any other substance or any other process. This is not a license under any patent or other proprietary right. The user alone must finally determine suitability of any information or material for any contemplated use in compliance with applicable law, the manner of use and whether any patents are infringed. This information gives typical properties only and is not to be used for specification purposes. Solvay Solexis, reserves the right to make additions, deletions or modifications to the information at any time without prior notification.All Trademarks and registered Trademarks are the property of Solvay Solexis SpA, Solvay SA or other of its affiliates. © 2010, Solvay Solexis SpA. All rights reserved.

Thank you for your attentionand thank to my colleagues

Anna Maria Bertasa, Riccardo Pieri, Julio Abusleme and Alberta Stella for their efficient and nice contribution

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A symbol

An airplane

FLYING AROUND THE WORLD IN A SOLAR POWERED AIRPLANENO FOSSIL FUEL, NO EMISSION, NO POLLUTION

The size of an Airbus,                     the weight of a car, 

the power of a scooter.

The size of an Airbus,                     the weight of a car, 

the power of a scooter.

63 meters wingspan 200 m2 of PV wing surface11.628 solar cells70 Km/H as average speed 1.600 Kg total weight

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Insulation Metal replacement

SOLVAY INSIDE

Lubricant(-60°C ~ +70°C)

Photovoltaic cells(encapsulation)Batteries efficiency

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Numericalsimulations in

Solar panelsWing ribsWing leading edge

Radel R®,

Torlon®,

Ketaspire®,

Primospire®,

Amodel®Throttle housing

Torlon®

Ketaspire®

Bushingscontrol system

Primospire®

Circuitboardsspacers

Fomblin®

LubricantTorlon®

BearingsPrimospire®

Boltsscews

washers

Ixef®

Engine bench test

Radel R®

Instrument panel housing

Torlon®

Glue : for honeycombin structurefor straingauges

Solef®

Tape for PV cells (Solstick)Foam for pilot seat

Radel R®, Torlon®, Primospire®

Air data booms (antennes)Attachment system

Epichlorhydrin200 kg of epoxy resins

(all parts)

Solef®

Batterybinder

Amodel®Leds

Solkane®

Foam motorgondola, cockpit

Halar®

PV cellFilm encapsulation

FIECElectrolyte additivefor batteries

Primospire®

Ixef®

Landing gear

Solef®

Intrados filmLaminated on PAMobile parts

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Thank you for your attention