Sintesis Sonokimia Bahan Elektroda untuk Produksi Baterai

Dalam produksi sel baterai berkinerja tinggi, bahan berstruktur nano dan nanokomposit memainkan peran penting dalam memberikan konduktivitas listrik yang unggul, kepadatan penyimpanan yang lebih tinggi, kapasitas tinggi, dan keandalan. Untuk mencapai fungsionalitas penuh nanomaterial, nano-partikel harus tersebar atau dikelupas secara individual dan mungkin memerlukan langkah pemrosesan lebih lanjut seperti fungsionalisasi. Pemrosesan nano ultrasonik adalah teknik yang unggul, berkhasiat, dan andal untuk menghasilkan nanomaterial dan nanokomposit berkinerja tinggi untuk produksi baterai canggih.

Dispersi Ultrasonik Bahan Aktif Elektrokimia dalam Bubur Elektroda

Bahan nano digunakan sebagai bahan elektroda inovatif, yang menghasilkan peningkatan kinerja baterai isi ulang secara signifikan. Mengatasi aglomerasi, agregasi, dan pemisahan fase sangat penting untuk persiapan bubur untuk pembuatan elektroda, terutama ketika bahan berukuran nano terlibat. Nanomaterial meningkatkan luas permukaan aktif elektroda baterai, yang memungkinkannya menyerap lebih banyak energi selama siklus pengisian dan meningkatkan kapasitas penyimpanan energi secara keseluruhan. Untuk mendapatkan keuntungan penuh dari bahan nano, partikel berstruktur nano ini harus dilepas jerat dan didistribusikan sebagai partikel terpisah dalam bubur elektroda. Teknologi dispersi ultrasonik memberikan gaya geser tinggi (sonomechnical) yang terfokus serta energi sonokimia, yang mengarah pada pencampuran tingkat atom dan kompleksasi bahan berukuran nano.
Partikel nano seperti graphene, tabung nano karbon (CNT), logam, dan mineral tanah jarang harus tersebar secara merata menjadi bubur yang stabil untuk mendapatkan bahan elektroda yang sangat fungsional.
Misalnya, graphene dan CNT terkenal untuk meningkatkan kinerja sel baterai, tetapi aglomerasi partikel harus diatasi. Ini berarti, teknik dispersi berkinerja tinggi, yang mampu memproses bahan nano dan mungkin viskositas tinggi, sangat diperlukan. Ultrasonicators tipe probe adalah metode dispersi berkinerja tinggi, yang dapat memproses nanomaterial bahkan pada beban padat tinggi dengan andal dan berkhasiat.

Mengapa Sonikasi Teknik Unggul untuk Pemrosesan Nanomaterial?

Ketika teknik dispersi dan pencampuran lainnya seperti mixer geser tinggi, pabrik manik-manik atau homogenizer tekanan tinggi mencapai batasnya, ultrasonikasi adalah metode yang menonjol untuk pemrosesan partikel mikron dan nano.
Ultrasonografi berdaya tinggi dan kavitasi akustik yang dihasilkan secara ultrasonik memberikan kondisi energi yang unik dan kepadatan energi ekstrim yang memungkinkan untuk mendeaglomerasi atau mengelupas nanomaterial, untuk memfungsikannya, mensintesis struktur nano dalam proses bottom-up, dan untuk menyiapkan nanokomposit berkinerja tinggi.
Karena ultrasonicators Hielscher memungkinkan kontrol yang tepat dari parameter pemrosesan ultrasonik yang paling penting seperti intensitas (Ws? mL), amplitudo (μm), suhu (ºC? ºF) dan tekanan (bar), kondisi pemrosesan dapat disetel secara individual ke pengaturan optimal untuk setiap bahan dan proses. Dengan demikian, disperser ultrasonik sangat serbaguna dan dapat digunakan untuk berbagai aplikasi misalnya, dispersi CNT, pengelupasan graphene, sintesis sonokimia partikel cangkang inti atau fungsionalisasi nanopartikel silikon.

Mikrograf SEM Na0.44MnO2 yang disiapkan secara sonokimia dengan kalsinasi pada 900 °C selama 2 jam.(Studi dan gambar: ©Shinde et al., 2019)

Pelajari lebih lanjut tentang ultrasonicators industri Hielscher untuk pemrosesan nanomaterial dalam pembuatan baterai!

Di bawah ini Anda dapat menemukan berbagai aplikasi pemrosesan nanomaterial yang digerakkan secara ultrasonik:

Sintesis Ultrasonik Nanokomposit

Sintesis ultrasonik graphene-SnO₂ nanokomposit: Tim peneliti Deosakar et al. (2013) mengembangkan rute berbantuan ultrasonik untuk menyiapkan nanokomposit graphene-SnO2. Mereka menyelidiki efek kavitasi yang dihasilkan oleh ultrasound berdaya tinggi selama sintesis komposit graphene-SnO2. Untuk sonikasi, mereka menggunakan perangkat Hielscher Ultrasonics. Hasilnya menunjukkan pemuatan SnO yang halus dan seragam yang ditingkatkan secara ultrasonik₂ pada lembaran nano graphene dengan reaksi oksidasi-reduksi antara graphene oxide dan SnCl₂·2H₂O dibandingkan dengan metode sintesis konvensional.

Bagan yang menunjukkan proses pembentukan graphene oxide dan SnO₂–nanokomposit graphene.(Studi dan gambar: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–nanokomposit graphene telah berhasil disiapkan melalui rute sintesis kimia berbasis larutan berbantuan ultrasound yang baru dan efektif dan graphene oxide dikurangi oleh SnCl₂ ke lembaran graphene dengan adanya HCl. Analisis TEM menunjukkan pemuatan SnO yang seragam dan halus₂ dalam lembaran nano graphene. Efek kavitasi yang dihasilkan karena penggunaan iradiasi ultrasonik telah terbukti mengintensifkan pemuatan halus dan seragam SnO2 pada lembaran nano graphene selama reaksi oksidasi-reduksi antara graphene oxide dan SnCl₂·2H₂O. Pemuatan nanopartikel SnO2 (3–5 nm) yang halus dan seragam yang diintensifkan pada lembaran nano graphene yang tereduksi dikaitkan dengan peningkatan nukleasi dan transfer zat terlarut karena efek kavitasi yang disebabkan oleh iradiasi ultrasonik. Pemuatan SnO yang halus dan seragam₂ nanopartikel pada lembaran nano graphene juga dikonfirmasi dari analisis TEM. Penerapan SnO yang disintesis₂–Nanokomposit graphene sebagai bahan anoda dalam baterai lithium ion ditunjukkan. Kapasitas SnO₂–Baterai Li berbasis nanokomposit graphene stabil selama sekitar 120 siklus, dan baterai dapat mengulangi reaksi pengisian-pengosongan yang stabil. (Deosakar dkk., 2013)

Gambar TEM dari SnO₂–Komposit nano graphene disiapkan dengan metode sonokimia. Bilah menunjukkan pada (A) 10nm, pada (B) pada 5nm.(Studi dan gambar: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersi Ultrasonik Nanopartikel ke dalam Bubur Baterai

Dispersi komponen elektode: Waser et al. (2011) menyiapkan elektroda dengan lithium besi fosfat (LiFePO₄). Bubur yang mengandung LiFePO4 sebagai bahan aktif, karbon hitam sebagai aditif konduktif listrik, polivinilidena fluorida yang dilarutkan dalam N-methylpyrrolidinone (NMP) digunakan sebagai pengikat. Rasio massa (setelah pengeringan) AM/CB/PVDF dalam elektroda adalah 83/8,5/8,5. Untuk menyiapkan suspensi, semua konstituen elektroda dicampur dalam NMP dengan pengaduk ultrasonik (UP200H, Ultrasonik Hielscher) selama 2 menit pada 200 W dan 24 kHz.
Konduktivitas listrik rendah dan difusi Li-ion lambat di sepanjang saluran satu dimensi LiFePO₄ dapat diatasi dengan menyematkan LiFePO₄ dalam matriks konduktif, misalnya karbon hitam. Karena partikel berukuran nano dan struktur partikel inti-cangkang meningkatkan konduktivitas listrik, teknologi dispersi ultrasonik dan sintesis sonokimia partikel inti-cangkang memungkinkan untuk menghasilkan nanokomposit yang unggul untuk aplikasi baterai.

Dispersi lithium besi fosfat: Tim peneliti Hagberg (Hagberg et al., 2018) menggunakan ultrasonicator UP100H untuk prosedur elektroda positif struktural yang terdiri dari serat karbon berlapis lithium besi fosfat (LFP). Serat karbon adalah derek kontinu dan berdiri sendiri yang bertindak sebagai kolektor arus dan akan memberikan kekakuan dan kekuatan mekanis. Untuk kinerja yang optimal, serat dilapisi satu per satu, misalnya menggunakan pengendapan elektroforesis.
Rasio berat campuran yang berbeda yang terdiri dari LFP, CB dan PVDF diuji. Campuran ini dilapisi pada serat karbon. Karena distribusi yang tidak homogen dalam komposisi bak pelapis mungkin berbeda dari komposisi dalam pelapis itu sendiri, pengadukan yang ketat dengan ultrasonikasi digunakan untuk meminimalkan perbedaan.
Mereka mencatat bahwa partikel relatif tersebar dengan baik di seluruh lapisan yang dikaitkan dengan penggunaan surfaktan (Triton X-100) dan langkah ultrasonikasi sebelum pengendapan elektroforesis.

Gambar SEM penampang dan perbesaran tinggi dari serat karbon berlapis EPD. Campuran LFP, CB dan PVDF dihomogenisasi secara ultrasonik menggunakan ultrasonicator UP100H. Pembesaran: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.(Studi dan gambar: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersi LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Bahan katoda komposit:
Vidal et al. (2013) menyelidiki pengaruh langkah-langkah pemrosesan seperti sonikasi, tekanan dan komposisi material untuk LiNi_0.5Mn_1.5O₄katoda komposit.
Elektroda komposit positif yang memiliki LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel sebagai bahan aktif, campuran grafit dan karbon hitam untuk meningkatkan konduktivitas listrik elektroda dan baik polyvinyldenefluoride (PVDF) atau campuran PVDF dengan sejumlah kecil Teflon® (1 wt%) untuk membangun elektroda. Mereka telah diproses dengan pengecoran pita pada aluminium foil sebagai kolektor arus menggunakan teknik pisau dokter. Selain itu, campuran komponen disonikasi atau tidak, dan elektroda yang diproses dipadatkan atau tidak di bawah pengepresan dingin berikutnya. Dua formulasi telah diuji:
Formulasi A (tanpa Teflon®): 78% berat LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5% berat karbon hitam; 2,5% berat grafit; 12% berat PVDF
Formulasi B (dengan Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% Karbon hitam; 2,5% berat grafit; 11% berat PVDF; 1 wt% Teflon®
Dalam kedua kasus, komponen dicampur dan tersebar dalam N-methylpyrrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) bersama dengan komponen lain dalam persentase yang disebutkan yang telah disiapkan tersebar dalam 11 ml NMP. Dalam beberapa kasus tertentu, campuran disonikasi selama 25 menit dan kemudian diaduk pada suhu kamar selama 48 jam. Pada beberapa lainnya, campuran hanya diaduk pada suhu kamar selama 48 jam, yaitu tanpa sonikasi. Perlakuan sonikasi mempromosikan dispersi homogen dari komponen elektroda dan elektroda LNMS yang diperoleh terlihat lebih seragam.
Elektroda komposit dengan bobot tinggi, hingga 17mg/cm2, disiapkan dan dipelajari sebagai elektroda positif untuk baterai lithium-ion. Penambahan Teflon® dan penerapan perlakuan sonikasi mengarah pada elektroda seragam yang melekat dengan baik pada aluminium foil. Kedua parameter tersebut berkontribusi untuk meningkatkan kapasitas yang dikeringkan pada tingkat tinggi (5C). Pemadatan tambahan rakitan elektroda/aluminium sangat meningkatkan kemampuan laju elektroda. Pada tingkat 5C, retensi kapasitas yang luar biasa antara 80% dan 90% ditemukan untuk elektroda dengan bobot dalam kisaran 3-17mg/cm², memiliki Teflon® dalam formulasinya, disiapkan setelah sonikasi campuran komponennya dan dipadatkan di bawah 2 ton? cm².
Singkatnya, elektroda yang memiliki 1 wt% Teflon® dalam formulasinya, campuran komponennya mengalami perlakuan sonikasi, dipadatkan pada 2 ton? cm2 dan dengan bobot dalam kisaran 2,7-17 mg? cm2 menunjukkan kemampuan tingkat yang luar biasa. Bahkan pada arus tinggi 5C, kapasitas pelepasan yang dinormalisasi adalah antara 80% dan 90% untuk semua elektroda ini. (lih. Vidal et al., 2013)

Disperser Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Produksi Baterai

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan peralatan ultrasonik berdaya tinggi dan berkinerja tinggi, yang digunakan untuk memproses bahan katoda, anoda, dan elektrolit untuk digunakan dalam baterai lithium-ion (LIB), baterai natrium-ion (NIB), dan sel baterai lainnya. Sistem ultrasonik Hielscher digunakan mensintesis nanokomposit, memfungsikan nanopartikel, dan menyebarkan nanomaterial menjadi suspensi yang homogen dan stabil.
Menawarkan portofolio dari laboratorium hingga prosesor ultrasonik skala industri penuh, Hielscher adalah pemimpin pasar untuk disperser ultrasound berkinerja tinggi. Bekerja sejak lebih dari 30 tahun di bidang sintesis nanomaterial dan pengurangan ukuran, Hielscher Ultrasonics memiliki pengalaman luas dalam pemrosesan nanopartikel ultrasonik dan menawarkan prosesor ultrasonik yang paling kuat dan andal di pasaran. Teknik Jerman menyediakan teknologi canggih dan kualitas yang kuat.
Teknologi canggih, perangkat lunak berkinerja tinggi dan canggih mengubah ultrasonicator Hielscher menjadi kuda kerja yang andal dalam proses pembuatan elektroda Anda. Semua sistem ultrasonik diproduksi di kantor pusat di Teltow, Jerman, diuji kualitas dan kekokohannya dan kemudian didistribusikan dari Jerman ke seluruh dunia.
Perangkat keras canggih dan perangkat lunak pintar ultrasonicators Hielscher dirancang untuk menjamin operasi yang andal, hasil yang dapat direproduksi, serta keramahan pengguna. Ultrasonicators Hielscher kuat dan konsisten dalam kinerja, yang memungkinkan untuk memasangnya ke lingkungan yang menuntut dan mengoperasikannya dalam kondisi tugas berat. Pengaturan operasional dapat dengan mudah diakses dan diputar melalui menu intuitif, yang dapat diakses melalui layar sentuh warna digital dan remote control browser. Oleh karena itu, semua kondisi pemrosesan seperti energi bersih, energi total, amplitudo, waktu, tekanan, dan suhu secara otomatis dicatat pada kartu SD bawaan. Ini memungkinkan Anda untuk merevisi dan membandingkan jalannya sonikasi sebelumnya dan untuk mengoptimalkan sintesis, fungsionalisasi, dan dispersi bahan nano dan komposit ke efisiensi tertinggi.
Sistem Ultrasonik Hielscher digunakan di seluruh dunia untuk sintesis sonokimia nanomaterial dan terbukti dapat diandalkan untuk dispersi nanopartikel menjadi suspensi koloid yang stabil. Ultrasonicator industri Hielscher dapat terus menjalankan amplitudo tinggi dan dibangun untuk operasi 24/7. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dihasilkan terus menerus dengan sonotrode standar (probe ultrasonik? tanduk). Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk sintesis sonokimia, fungsionalisasi, penataan nano, dan deaglomerasi sudah dipasang di seluruh dunia dalam skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan langkah proses Anda yang melibatkan bahan nano untuk pembuatan baterai! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati berbagi informasi lebih lanjut tentang hasil dispersi yang unggul, sistem ultrasonik berkinerja tinggi, dan harga!
Dengan keunggulan ultrasonikasi, produksi elektroda dan elektrolit canggih Anda akan unggul dalam efisiensi, kesederhanaan, dan biaya rendah jika dibandingkan dengan produsen elektroda lainnya!

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: