Síntese sonoquímica de materiais de eletrodos para produção de baterias

Na produção de células de bateria de alto desempenho, materiais nanoestruturados e nanocompósitos desempenham um papel importante, proporcionando condutividade elétrica superior, densidades de armazenamento mais altas, alta capacidade e confiabilidade. Para atingir todas as funcionalidades dos nanomateriais, as nanopartículas devem ser dispersas ou esfoliadas individualmente e podem necessitar de outras etapas de processamento, como a funcionalização. O nanoprocessamento ultrassônico é a técnica superior, eficaz e confiável para produzir nanomateriais e nanocompósitos de alto desempenho para produção avançada de baterias.

Dispersão ultrassônica de materiais eletroquimicamente ativos em pastas de eletrodos

Os nanomateriais são usados como materiais de eletrodos inovadores, o que resultou em um desempenho significativamente aprimorado das baterias recarregáveis. Superar a aglomeração, agregação e separação de fases é crucial para a preparação de pastas para fabricação de eletrodos, especialmente quando materiais nanométricos estão envolvidos. Os nanomateriais aumentam a área de superfície ativa dos eletrodos das baterias, o que lhes permite absorver mais energia durante os ciclos de carregamento e aumentar sua capacidade geral de armazenamento de energia. Para obter todas as vantagens dos nanomateriais, essas partículas nanoestruturadas devem ser desembaraçadas e distribuídas como partículas separadas na pasta do eletrodo. A tecnologia de dispersão ultrassônica fornece forças focadas de alto cisalhamento (sonomecânicas), bem como energia sonoquímica, o que leva à mistura em nível atômico e complexação de materiais nanométricos.
Nanopartículas como grafeno, nanotubos de carbono (CNTs), metais e minerais de terras raras devem ser uniformemente dispersas em uma pasta estável para obter materiais de eletrodo altamente funcionais.
Por exemplo, grafeno e CNTs são bem conhecidos por melhorar o desempenho das células da bateria, mas a aglomeração de partículas deve ser superada. Isso significa que uma técnica de dispersão de alto desempenho, capaz de processar nanomateriais e possivelmente altas viscosidades, é absolutamente necessária. Os ultrassônicos do tipo sonda são o método de dispersão de alto desempenho, que pode processar nanomateriais mesmo com altas cargas sólidas de forma confiável e eficaz.

Por que a sonicação é a técnica superior para o processamento de nanomateriais?

Quando outras técnicas de dispersão e mistura, como misturadores de alto cisalhamento, moinhos de esferas ou homogeneizadores de alta pressão, atingem seus limites, a ultrassonografia é o método que se destaca para o processamento de mícrons e nanopartículas.
O ultrassom de alta potência e a cavitação acústica gerada por ultrassom fornecem condições de energia únicas e extrema densidade de energia que permite desaglomerar ou esfoliar nanomateriais, funcionalizá-los, sintetizar nanoestruturas em processos de baixo para cima e preparar nanocompósitos de alto desempenho.
Como os ultrassônicos Hielscher permitem o controle preciso dos parâmetros de processamento ultrassônico mais importantes, como intensidade (Ws/mL), amplitude (μm), temperatura (ºC/ºF) e pressão (bar), as condições de processamento podem ser ajustadas individualmente para configurações ideais para cada material e processo. Assim, os dispersores ultrassônicos são altamente versáteis e podem ser usados para inúmeras aplicações, por exemplo, dispersão CNT, esfoliação de grafeno, síntese sonoquímica de partículas de casca de núcleo ou funcionalização de nanopartículas de silício.

Micrografias de MEV de Na0.44MnO2 preparado sonoquimicamente por calcinação a 900 ° C por 2 h.(Estudo e imagem: ©Shinde et al., 2019)

Saiba mais sobre os ultrassônicos industriais Hielscher para processamento de nanomateriais na fabricação de baterias!

Abaixo você pode encontrar várias aplicações ultrassônicas do processamento de nanomateriais:

Síntese Ultrassônica de Nanocompósitos

Síntese ultrassônica de grafeno-SnO₂ nanocompósito: A equipe de pesquisa de Deosakar et al. (2013) desenvolveu uma rota assistida por ultrassom para preparar um nanocompósito de grafeno-SnO2. Eles investigaram os efeitos cavitacionais gerados pelo ultrassom de alta potência durante a síntese do composto grafeno-SnO2. Para a sonicação, eles usaram um dispositivo Hielscher Ultrasonics. Os resultados demonstram uma carga fina e uniforme de SnO melhorada por ultrassom₂ em nanofolhas de grafeno por reação de oxidação-redução entre óxido de grafeno e SnCl₂· 2H₂O em comparação com os métodos convencionais de síntese.

Gráfico demonstrando o processo de formação de óxido de grafeno e SnO₂–nanocompósito de grafeno.(Estudo e fotos: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–o nanocompósito de grafeno foi preparado com sucesso por meio de uma nova e eficaz rota de síntese química baseada em solução assistida por ultrassom e o óxido de grafeno foi reduzido por SnCl₂ na presença de HCl. A análise TEM mostra o carregamento uniforme e fino de SnO₂ em nanofolhas de grafeno. Os efeitos cavitacionais produzidos devido ao uso de irradiações ultrassônicas demonstraram intensificar a carga fina e uniforme de SnO2 em nanofolhas de grafeno durante a reação de oxidação-redução entre óxido de grafeno e SnCl₂· 2H₂O. A carga fina e uniforme intensificada de nanopartículas de SnO2 (3–5 nm) em nanofolhas de grafeno reduzidas é atribuída à nucleação aprimorada e à transferência de soluto devido ao efeito cavitacional induzido por irradiações ultrassônicas. Carregamento fino e uniforme de SnO₂ nanopartículas em nanofolhas de grafeno também foi confirmada a partir da análise MET. A aplicação de SnO sintetizado₂–nanocompósito de grafeno como material anódico em baterias de íon de lítio. A capacidade do SnO₂–a bateria de lítio à base de nanocompósitos de grafeno é estável por cerca de 120 ciclos, e a bateria pode repetir a reação estável de carga-descarga. (Deosakar et al., 2013)

Imagem TEM de SnO₂–nanocompósito de grafeno preparado por método sonoquímico. Bar indica em (A) 10nm, em (B) em 5nm.(Estudo e fotos: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersão ultrassônica de nanopartículas em pastas de bateria

Dispersão dos componentes do electode: Waser et al. (2011) prepararam eletrodos com fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄). A pasta continha LiFePO4 como material ativo, negro de fumo como aditivo eletricamente condutor, fluoreto de polivinilideno dissolvido em N-metilpirrolidinona (NMP) foi usado como aglutinante. A razão de massa (após secagem) de AM/CB/PVDF nos eletrodos foi de 83/8,5/8,5. Para preparar as suspensões, todos os constituintes do eletrodo foram misturados em NMP com um agitador ultrassônico (UP200H, Ultrassom Hielscher) por 2 min a 200 W e 24 kHz.
Baixa condutividade elétrica e difusão lenta de íons de lítio ao longo dos canais unidimensionais de LiFePO₄ pode ser superado incorporando LiFePO₄ em uma matriz condutora, por exemplo, negro de fumo. Como partículas nanométricas e estruturas de partículas de casca de núcleo melhoram a condutividade elétrica, a tecnologia de dispersão ultrassônica e a síntese sonoquímica de partículas de casca de núcleo permitem produzir nanocompósitos superiores para aplicações de bateria.

Dispersão de fosfato de ferro e lítio: A equipe de pesquisa de Hagberg (Hagberg et al., 2018) utilizou o ultrassônico UP100H para o procedimento de eletrodo positivo estrutural consistindo em fibras de carbono revestidas com fosfato de ferro e lítio (LFP). As fibras de carbono são reboques contínuos e autônomos que atuam como coletores de corrente e fornecem rigidez e resistência mecânicas. Para um desempenho ideal, as fibras são revestidas individualmente, por exemplo, usando deposição eletroforética.
Diferentes razões de peso de misturas constituídas por LFP, CB e PVDF foram testadas. Essas misturas foram revestidas em fibras de carbono. Como a distribuição não homogênea nas composições do banho de revestimento pode diferir da composição do próprio revestimento, a agitação rigorosa por ultrassom é usada para minimizar a diferença.
Eles observaram que as partículas estão relativamente bem dispersas por todo o revestimento, o que é atribuído ao uso de surfactante (Triton X-100) e à etapa de ultrassom antes da deposição eletroforética.

Imagens SEM de seção transversal e alta ampliação de fibras de carbono revestidas com EPD. A mistura de LFP, CB e PVDF foi homogeneizada por ultrassom usando o ultrassônico UP100H. Ampliações: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.(Estudo e imagem: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersão de LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Material do cátodo composto:
Vidal et al. (2013) investigaram a influência das etapas de processamento, como sonicação, pressão e composição do material para LiNi_0.5Mn_1.5O₄cátodos compostos.
Eléctrodos compósitos positivos com LiNi_0.5 Mn_1.5Espinélio de O4 como material ativo, uma mistura de grafite e negro de fumo para aumentar a condutividade elétrica do eletrodo e fluoreto de polivinildeno (PVDF) ou uma mistura de PVDF com uma pequena quantidade de Teflon® (1% em peso) para construir o eletrodo. Eles foram processados por fundição em fita adesiva em uma folha de alumínio como coletor de corrente usando a técnica de lâmina raspadora. Além disso, as blendas de componentes foram sonicadas ou não, e os eletrodos processados foram compactados ou não sob subsequente prensagem a frio. Duas formulações foram testadas:
Formulação A (sem Teflon®): 78% em peso de LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5% em peso de negro de fumo; 2,5% em peso de grafite; 12% em peso de PVDF
Formulação B (com Teflon®): 78% em peso de LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5% em peso de negro de fumo; 2,5% em peso de grafite; 11% em peso de PVDF; 1% em peso de Teflon®
Em ambos os casos, os componentes foram misturados e dispersos em N-metilpirrolidinona (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O espinélio de O4 (2g) juntamente com os demais componentes nas porcentagens citadas já estabelecidas foi disperso em 11 ml de NMP. Em alguns casos particulares, a mistura foi sonicada por 25 min e depois agitada em temperatura ambiente por 48 h. Em alguns outros, a mistura foi apenas agitada em temperatura ambiente por 48 h, ou seja, sem qualquer sonicação. O tratamento de sonicação promove uma dispersão homogênea dos componentes do eletrodo e o eletrodo LNMS obtido parece mais uniforme.
Eletrodos compósitos com alto peso, até 17mg/cm2, foram preparados e estudados como eletrodos positivos para baterias de íons de lítio. A adição de Teflon® e a aplicação do tratamento de sonicação levam a eletrodos uniformes que estão bem aderidos à folha de alumínio. Ambos os parâmetros contribuem para melhorar a capacidade drenada em altas taxas (5C). A compactação adicional dos conjuntos de eletrodo/alumínio aumenta notavelmente as capacidades de taxa de eletrodo. Na taxa de 5C, retenções de capacidade notáveis entre 80% e 90% são encontradas para eletrodos com pesos na faixa de 3-17mg/cm², com Teflon® em sua formulação, preparado após sonicação de suas misturas componentes e compactado sob 2 toneladas/cm².
Em resumo, eletrodos com 1% em peso de Teflon® em sua formulação, suas misturas de componentes submetidas a um tratamento de sonicação, compactados a 2 toneladas/cm2 e com pesos na faixa de 2,7-17 mg/cm2 mostraram uma notável capacidade de taxa. Mesmo com a alta corrente de 5C, a capacidade de descarga normalizada estava entre 80% e 90% para todos esses eletrodos. (cf. Vidal et al., 2013)

Dispersores ultrassônicos de alto desempenho para produção de baterias

A Hielscher Ultrasonics projeta, fabrica e distribui equipamentos ultrassônicos de alta potência e alto desempenho, que são usados para processar materiais catódicos, ânodos e eletrólitos para uso em baterias de íons de lítio (LIB), baterias de íons de sódio (NIB) e outras células de bateria. Os sistemas ultrassônicos Hielscher são usados para sintetizar nanocompósitos, funcionalizar nanopartículas e dispersar nanomateriais em suspensões homogêneas e estáveis.
Oferecendo um portfólio de processadores ultrassônicos em escala laboratorial a totalmente industrial, a Hielscher é líder de mercado em dispersores ultrassônicos de alto desempenho. Trabalhando há mais de 30 anos no campo da síntese de nanomateriais e redução de tamanho, a Hielscher Ultrasonics tem uma vasta experiência em processamento de nanopartículas ultrassônicas e oferece os processadores ultrassônicos mais poderosos e confiáveis do mercado. A engenharia alemã oferece tecnologia de ponta e qualidade robusta.
Tecnologia avançada, software sofisticado e de alto desempenho transformam os ultrassônicos Hielscher em cavalos de trabalho confiáveis em seu processo de fabricação de eletrodos. Todos os sistemas ultrassônicos são fabricados na sede em Teltow, Alemanha, testados quanto à qualidade e robustez e depois distribuídos da Alemanha para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos ultrasonicadores Hielscher são projetados para garantir uma operação confiável, resultados reprodutíveis e facilidade de uso. Os ultrasonicadores Hielscher são robustos e consistentes em desempenho, o que permite instalá-los em ambientes exigentes e operá-los em condições de serviço pesado. As configurações operacionais podem ser facilmente acessadas e discadas por meio de um menu intuitivo, que pode ser acessado por meio de tela sensível ao toque digital colorida e controle remoto do navegador. Portanto, todas as condições de processamento, como energia líquida, energia total, amplitude, tempo, pressão e temperatura, são registradas automaticamente em um cartão SD integrado. Isso permite que você revise e compare execuções de sonicação anteriores e otimize a síntese, funcionalização e dispersão de nanomateriais e compósitos para a mais alta eficiência.
Os sistemas de ultrassom Hielscher são usados em todo o mundo para síntese sonoquímica de nanomateriais e são comprovadamente confiáveis para a dispersão de nanopartículas em suspensões coloidais estáveis. Os ultrassônicos industriais Hielscher podem executar continuamente altas amplitudes e são construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodos padrão (sondas? buzinas ultrassônicas). Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.
Os processadores ultrassônicos Hielscher para síntese sonoquímica, funcionalização, nanoestruturação e desaglomeração já estão instalados em todo o mundo em escala comercial. Entre em contato conosco agora para discutir sua etapa do processo envolvendo nanomateriais para fabricação de baterias! Nossa equipe experiente terá prazer em compartilhar mais informações sobre resultados de dispersão superiores, sistemas ultrassônicos de alto desempenho e preços!
Com a vantagem do ultrassom, sua produção avançada de eletrodos e eletrólitos se destacará em eficiência, simplicidade e baixo custo quando comparada a outros fabricantes de eletrodos!

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: