Sintesis Sonokimia Bahan Elektrode untuk Produksi Baterai

Dalam produksi sel baterai berkinerja tinggi, bahan berstruktur nano dan nanokomposit merupakan kunci bagi konduktivitas listrik yang unggul, densitas penyimpanan yang lebih tinggi, kapasitas tinggi, dan keandalan. Untuk memperoleh seluruh fungsi nanomaterial, nanopartikel harus didispersikan secara individual atau dieksfoliasi dan mungkin memerlukan tahap pemrosesan lebih lanjut seperti fungsionalisasi. Pemrosesan nano ultrasonik merupakan teknik yang unggul, efektif, dan andal untuk menghasilkan nanomaterial dan nanokomposit berkinerja tinggi bagi produksi baterai canggih.

Dispersi Ultrasonik Bahan Aktif Elektrokimia dalam Sluri Elektrode

Nanomaterial digunakan sebagai bahan elektrode inovatif yang menghasilkan peningkatan signifikan pada kinerja baterai isi ulang. Mengatasi aglomerasi, agregasi, dan pemisahan fase sangat penting dalam penyiapan sluri untuk pembuatan elektrode, terutama jika melibatkan bahan berukuran nano. Nanomaterial meningkatkan luas permukaan aktif elektrode baterai, sehingga elektrode dapat menyerap lebih banyak energi selama siklus pengisian daya dan meningkatkan kapasitas penyimpanan energi secara keseluruhan. Untuk memperoleh manfaat penuh nanomaterial, partikel berstruktur nano ini harus diurai dari keterikatannya dan didistribusikan sebagai partikel terpisah dalam sluri elektrode. Teknologi dispersi ultrasonik menghasilkan gaya geser tinggi (sonomekanis) yang terfokus serta energi sonokimia, yang menghasilkan pencampuran pada tingkat atom dan kompleksasi bahan berukuran nano.
Nanopartikel seperti grafena, tabung nano karbon (CNT), logam, dan mineral tanah jarang harus didispersikan secara merata menjadi sluri yang stabil untuk memperoleh bahan elektrode yang sangat fungsional.
Sebagai contoh, grafena dan CNT dikenal dapat meningkatkan kinerja sel baterai, tetapi aglomerasi partikel harus diatasi. Artinya, teknik dispersi berkinerja tinggi yang mampu memproses nanomaterial dan kemungkinan juga viskositas tinggi mutlak diperlukan. Sonikator tipe probe merupakan metode dispersi berkinerja tinggi yang dapat memproses nanomaterial secara andal dan efektif bahkan pada kandungan padatan yang tinggi.

Mengapa Sonikasi Merupakan Teknik yang Unggul untuk Pemrosesan Nanomaterial?

Ketika teknik dispersi dan pencampuran lain seperti pencampur geser tinggi, penggiling manik, atau homogenizer bertekanan tinggi mencapai batas kemampuannya, ultrasonikasi menjadi metode yang menonjol untuk pemrosesan partikel berukuran mikron dan nano.
Ultrasonik berdaya tinggi dan kavitasi akustik yang dihasilkan secara ultrasonik memberikan kondisi energi yang unik dan densitas energi ekstrem yang memungkinkan deaglomerasi atau eksfoliasi nanomaterial, fungsionalisasinya, sintesis struktur nano melalui proses bottom-up, dan penyiapan nanokomposit berkinerja tinggi.
Karena sonikator Hielscher memungkinkan pengendalian presisi terhadap parameter pemrosesan ultrasonik terpenting seperti intensitas (Ws/mL), amplitudo (µm), suhu (ºC/ºF), dan tekanan (bar), kondisi pemrosesan dapat disesuaikan secara individual ke pengaturan optimal untuk setiap bahan dan proses. Dengan demikian, alat pendispersi ultrasonik sangat serbaguna dan dapat digunakan untuk berbagai aplikasi, misalnya dispersi CNT, eksfoliasi grafena, sintesis sonokimia partikel inti–selubung, atau fungsionalisasi nanopartikel silikon.

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

Pelajari lebih lanjut tentang sonikator 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 nanokomposit grafena–SnO₂ : Tim peneliti Deosakar et al. (2013) mengembangkan jalur berbantuan ultrasonik untuk menyiapkan nanokomposit grafena–SnO2. Mereka menyelidiki efek kavitasi yang dihasilkan oleh ultrasonik berdaya tinggi selama sintesis komposit grafena–SnO2. Untuk sonikasi, mereka menggunakan perangkat Hielscher Ultrasonics. Hasilnya menunjukkan peningkatan deposisi SnO₂ yang halus dan merata pada lembaran nano grafena secara ultrasonik melalui reaksi oksidasi–reduksi antara grafena oksida dan SnCl₂·2H₂O dibandingkan dengan metode sintesis konvensional.

Diagram yang menunjukkan proses pembentukan grafena oksida dan nanokomposit SnO₂–grafena.
(Studi dan gambar: ©Deosakar et al., 2013)

Nanokomposit SnO₂–grafena telah berhasil disiapkan melalui jalur sintesis kimia berbasis larutan berbantuan ultrasonik yang baru dan efektif, dan grafena oksida direduksi oleh SnCl₂ menjadi lembaran grafena dengan adanya HCl. Analisis TEM menunjukkan deposisi SnO₂ yang merata dan halus pada lembaran nano grafena. Efek kavitasi yang dihasilkan oleh penggunaan iradiasi ultrasonik terbukti meningkatkan deposisi SnO2 yang halus dan merata pada lembaran nano grafena selama reaksi oksidasi–reduksi antara grafena oksida dan SnCl₂·2H₂O. Peningkatan deposisi nanopartikel SnO2 (3–5 nm) yang halus dan merata pada lembaran nano grafena tereduksi dikaitkan dengan peningkatan nukleasi dan perpindahan zat terlarut akibat efek kavitasi yang diinduksi oleh iradiasi ultrasonik. Deposisi nanopartikel SnO₂ yang halus dan merata pada lembaran nano grafena juga dikonfirmasi melalui analisis TEM. Penerapan nanokomposit SnO₂–grafena hasil sintesis sebagai bahan anode dalam baterai ion litium telah ditunjukkan. Kapasitas baterai Li berbasis nanokomposit SnO₂–grafena stabil selama sekitar 120 siklus, dan baterai tersebut dapat mengulangi reaksi pengisian–pengosongan daya yang stabil. (Deosakar et al., 2013)

Citra TEM nanokomposit SnO₂–grafena yang disiapkan dengan metode sonokimia. Batang skala menunjukkan 10nm pada (A) dan 5nm pada (B).
(Studi dan gambar: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersi Ultrasonik Nanopartikel ke dalam Sluri Baterai

Dispersi komponen elektrode: Waser et al. (2011) menyiapkan elektrode dengan litium besi fosfat (LiFePO₄). Sluri tersebut mengandung LiFePO4 sebagai bahan aktif, karbon hitam sebagai aditif penghantar listrik, dan polivinilidena fluorida yang dilarutkan dalam N-metilpirolidinon (NMP) digunakan sebagai pengikat. Rasio massa (setelah pengeringan) AM/CB/PVDF dalam elektrode adalah 83/8,5/8,5. Untuk menyiapkan suspensi, semua penyusun elektrode dicampur dalam NMP menggunakan pengaduk ultrasonik (UP200H, Hielscher Ultrasonics) selama 2 min pada 200 W dan 24 kHz.
Konduktivitas listrik yang rendah dan difusi ion Li yang lambat di sepanjang saluran satu dimensi LiFePO₄ dapat diatasi dengan menanamkan LiFePO₄ dalam matriks konduktif, misalnya karbon hitam. Karena partikel berukuran nano dan struktur partikel inti–selubung meningkatkan konduktivitas listrik, teknologi dispersi ultrasonik dan sintesis sonokimia partikel inti–selubung memungkinkan produksi nanokomposit unggul untuk aplikasi baterai.

Dispersi litium besi fosfat: Tim peneliti Hagberg (Hagberg et al., 2018) menggunakan sonikator UP100H untuk prosedur penyiapan elektrode positif struktural yang terdiri atas serat karbon berlapis litium besi fosfat (LFP). Serat karbon tersebut berupa berkas serat kontinu yang dapat berdiri sendiri, berfungsi sebagai pengumpul arus, dan akan memberikan kekakuan serta kekuatan mekanis. Untuk kinerja optimal, serat dilapisi secara individual, misalnya menggunakan deposisi elektroforetik.
Berbagai rasio berat campuran yang terdiri atas LFP, CB, dan PVDF diuji. Campuran ini dilapiskan pada serat karbon. Karena distribusi yang tidak homogen dalam bak pelapisan dapat menyebabkan komposisinya berbeda dari komposisi lapisan itu sendiri, pengadukan intensif dengan ultrasonikasi digunakan untuk meminimalkan perbedaan tersebut.
Mereka mencatat bahwa partikel terdispersi relatif baik di seluruh lapisan, yang dikaitkan dengan penggunaan surfaktan (Triton X-100) dan tahap ultrasonikasi sebelum deposisi elektroforetik.

Citra SEM penampang melintang dan perbesaran tinggi serat karbon berlapis EPD. Campuran LFP, CB, dan PVDF dihomogenisasi secara ultrasonik menggunakan sonikator UP100H. Perbesaran: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studi dan gambar: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersi bahan katode komposit LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) menyelidiki pengaruh tahap pemrosesan seperti sonikasi, tekanan, dan komposisi bahan untuk katode komposit LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Elektrode komposit positif mengandung spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 sebagai bahan aktif, campuran grafit dan karbon hitam untuk meningkatkan konduktivitas listrik elektrode, serta polivinilidena fluorida (PVDF) atau campuran PVDF dengan sedikit Teflon® (1 wt%) untuk membentuk elektrode. Elektrode ini diproses melalui pencetakan pita pada foil aluminium sebagai pengumpul arus menggunakan teknik doctor blade. Selain itu, campuran komponen disonikasi atau tidak disonikasi, dan elektrode yang telah diproses dipadatkan atau tidak dipadatkan melalui pengepresan dingin berikutnya. Dua formulasi telah diuji:
Formulasi A (tanpa Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% karbon hitam; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
Formulasi B (dengan Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% karbon hitam; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Dalam kedua kasus, komponen dicampur dan didispersikan dalam N-metilpirolidinon (NMP). Spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g) bersama komponen lain dengan persentase yang telah ditetapkan tersebut didispersikan dalam 11 ml NMP. Dalam beberapa kasus tertentu, campuran disonikasi selama 25 min lalu diaduk pada suhu ruang selama 48 h. Dalam beberapa kasus lainnya, campuran hanya diaduk pada suhu ruang selama 48 h, yaitu tanpa sonikasi. Perlakuan sonikasi mendorong dispersi homogen komponen elektrode dan elektrode LNMS yang diperoleh tampak lebih seragam.
Elektrode komposit dengan berat tinggi, hingga 17mg/cm2, disiapkan dan diteliti sebagai elektrode positif untuk baterai ion litium. Penambahan Teflon® dan penerapan perlakuan sonikasi menghasilkan elektrode seragam yang melekat dengan baik pada foil aluminium. Kedua parameter tersebut berkontribusi meningkatkan kapasitas yang dapat dikeluarkan pada laju tinggi (5C). Pemadatan tambahan rakitan elektrode/aluminium secara nyata meningkatkan kapabilitas laju elektrode. Pada laju 5C, retensi kapasitas yang luar biasa antara 80% dan 90% ditemukan pada elektrode dengan berat dalam rentang 3–17mg/cm², yang mengandung Teflon® dalam formulasinya, disiapkan setelah sonikasi campuran komponennya, dan dipadatkan pada tekanan 2 ton/cm².
Secara ringkas, elektrode yang mengandung 1 wt% Teflon® dalam formulasinya, dengan campuran komponen yang diberi perlakuan sonikasi, dipadatkan pada tekanan 2 ton/cm2, dan memiliki berat dalam rentang 2,7–17 mg/cm2 menunjukkan kapabilitas laju yang luar biasa. Bahkan pada arus tinggi 5C, kapasitas pengosongan daya ternormalisasi berada antara 80% dan 90% untuk semua elektrode ini. (bdk. Vidal et al., 2013)

Alat Pendispersi Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Produksi Baterai

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan peralatan ultrasonik berdaya tinggi dan berkinerja tinggi yang digunakan untuk memproses bahan katode, anode, dan elektrolit untuk digunakan dalam baterai ion litium (LIB), baterai ion natrium (NIB), dan sel baterai lainnya. Sistem ultrasonik Hielscher digunakan untuk menyintesis nanokomposit, memfungsionalisasi nanopartikel, dan mendispersikan nanomaterial menjadi suspensi yang homogen dan stabil.
Dengan menawarkan portofolio prosesor ultrasonik dari skala laboratorium hingga skala industri penuh, Hielscher merupakan pemimpin pasar alat pendispersi ultrasonik berkinerja tinggi. Dengan pengalaman lebih dari 30 tahun dalam bidang sintesis nanomaterial dan pengecilan ukuran, Hielscher Ultrasonics memiliki pengalaman luas dalam pemrosesan nanopartikel ultrasonik dan menawarkan prosesor ultrasonik paling bertenaga dan andal di pasaran. Rekayasa Jerman menghadirkan teknologi mutakhir dan kualitas yang tangguh.
Teknologi canggih, kinerja tinggi, dan perangkat lunak mutakhir menjadikan sonikator Hielscher perangkat andalan yang dapat diandalkan dalam proses pembuatan elektrode Anda. Semua sistem ultrasonik diproduksi di kantor pusat di Teltow, Jerman, diuji kualitas dan ketangguhannya, lalu didistribusikan dari Jerman ke seluruh dunia.
Perangkat keras mutakhir dan perangkat lunak cerdas sonikator Hielscher dirancang untuk menjamin pengoperasian yang andal, hasil yang dapat direproduksi, serta kemudahan penggunaan. Sonikator Hielscher tangguh dan memiliki kinerja yang konsisten, sehingga dapat dipasang di lingkungan yang menuntut dan dioperasikan dalam kondisi kerja berat. Pengaturan operasional dapat diakses dan disetel dengan mudah melalui menu intuitif, yang dapat diakses melalui layar sentuh digital berwarna dan kendali jarak jauh melalui peramban. Dengan demikian, semua kondisi pemrosesan seperti energi bersih, energi total, amplitudo, waktu, tekanan, dan suhu direkam secara otomatis pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda meninjau dan membandingkan proses sonikasi sebelumnya serta mengoptimalkan sintesis, fungsionalisasi, dan dispersi nanomaterial serta komposit untuk mencapai efisiensi tertinggi.
Sistem Hielscher Ultrasonics digunakan di seluruh dunia untuk sintesis sonokimia nanomaterial dan terbukti andal untuk mendispersikan nanopartikel menjadi suspensi koloid yang stabil. Sonikator industri Hielscher dapat beroperasi secara kontinu pada amplitudo tinggi dan dirancang untuk pengoperasian 24/7. Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dihasilkan secara kontinu menggunakan sonotrode standar (probe / horn ultrasonik). Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang disesuaikan secara khusus.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk sintesis sonokimia, fungsionalisasi, pembentukan struktur nano, dan deaglomerasi telah dipasang di seluruh dunia pada skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan tahap proses Anda yang melibatkan nanomaterial untuk pembuatan baterai! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati memberikan informasi lebih lanjut tentang hasil dispersi yang unggul, sistem ultrasonik berkinerja tinggi, dan harga!
Dengan keunggulan ultrasonikasi, produksi elektrode dan elektrolit canggih Anda akan unggul dalam efisiensi, kesederhanaan, dan biaya rendah dibandingkan dengan produsen elektrode lainnya!

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: