Síntese sonoquímica de materiais de elétrodos para a produção de baterias

Na produção de células de bateria de elevado desempenho, os materiais nanoestruturados e os nanocompósitos são fundamentais para uma condutividade elétrica superior, densidades de armazenamento mais elevadas, elevada capacidade e fiabilidade. Para obter todas as funcionalidades dos nanomateriais, as nanopartículas têm de ser dispersas ou exfoliadas individualmente e podem necessitar de etapas de processamento adicionais, como a funcionalização. O nanoprocessamento ultrassónico é a técnica superior, eficaz e fiável para produzir nanomateriais e nanocompósitos de elevado desempenho para a produção avançada de baterias.

Dispersão ultrassónica de materiais eletroquimicamente ativos em suspensões para elétrodos

Os nanomateriais são utilizados como materiais inovadores para elétrodos, o que resultou numa melhoria significativa do desempenho das baterias recarregáveis. Superar a aglomeração, a agregação e a separação de fases é crucial para a preparação de suspensões para o fabrico de elétrodos, especialmente quando estão envolvidos materiais de dimensão nanométrica. Os nanomateriais aumentam a área superficial ativa dos elétrodos das baterias, o que lhes permite absorver mais energia durante os ciclos de carga e aumentar a sua capacidade global de armazenamento de energia. Para aproveitar plenamente as vantagens dos nanomateriais, estas partículas nanoestruturadas têm de ser desenredadas e distribuídas como partículas separadas na suspensão para elétrodos. A tecnologia de dispersão ultrassónica proporciona forças concentradas de elevado cisalhamento (sonomecânicas), bem como energia sonoquímica, o que conduz à mistura e à complexação de materiais de dimensão nanométrica ao nível atómico.
As nanopartículas, como o grafeno, os nanotubos de carbono (CNTs), os metais e os minerais de terras raras, têm de ser uniformemente dispersas numa suspensão estável para obter materiais de elétrodos altamente funcionais.
Por exemplo, é bem conhecido que o grafeno e os CNTs melhoram o desempenho das células de bateria, mas é necessário superar a aglomeração das partículas. Isto significa que é absolutamente necessária uma técnica de dispersão de elevado desempenho, capaz de processar nanomateriais e, eventualmente, viscosidades elevadas. Os sonicadores de sonda constituem o método de dispersão de elevado desempenho que permite processar nanomateriais de forma fiável e eficaz, mesmo com elevados teores de sólidos.

Porque é a sonicação a técnica superior para o processamento de nanomateriais?

Quando outras técnicas de dispersão e mistura, como os misturadores de elevado cisalhamento, os moinhos de esferas ou os homogeneizadores de alta pressão, atingem os seus limites, a sonicação é o método que se destaca no processamento de micropartículas e nanopartículas.
Os ultrassons de elevada potência e a cavitação acústica gerada por ultrassons proporcionam condições energéticas únicas e uma densidade de energia extrema, que permitem desaglomerar ou exfoliar nanomateriais, funcionalizá-los, sintetizar nanoestruturas em processos de construção de baixo para cima e preparar nanocompósitos de elevado desempenho.
Uma vez que os sonicadores Hielscher permitem o controlo preciso dos parâmetros mais importantes do processamento ultrassónico, como a intensidade (Ws/mL), a amplitude (µm), a temperatura (ºC/ºF) e a pressão (bar), as condições de processamento podem ser ajustadas individualmente às definições ideais para cada material e processo. Assim, os dispersores ultrassónicos são altamente versáteis e podem ser utilizados em numerosas aplicações, por exemplo, na dispersão de CNTs, na exfoliação de grafeno, na síntese sonoquímica de partículas núcleo–casca ou na funcionalização de nanopartículas de silício.

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

Saiba mais sobre os sonicadores industriais Hielscher para o processamento de nanomateriais no fabrico de baterias!

Abaixo encontra várias aplicações de processamento de nanomateriais impulsionadas por ultrassons:

Síntese ultrassónica de nanocompósitos

Síntese ultrassónica do nanocompósito de grafeno–SnO₂ : A equipa de investigação de Deosakar et al. (2013) desenvolveu uma via assistida por ultrassons para preparar um nanocompósito de grafeno–SnO2. Investigaram os efeitos de cavitação gerados por ultrassons de elevada potência durante a síntese do compósito de grafeno–SnO2. Para a sonicação, utilizaram um dispositivo Hielscher Ultrasonics. Os resultados demonstram uma deposição fina e uniforme de SnO₂ sobre nanofolhas de grafeno, melhorada por ultrassons, através de uma reação de oxidação–redução entre o óxido de grafeno e SnCl₂·2H₂O, em comparação com os métodos de síntese convencionais.

Diagrama que demonstra o processo de formação do óxido de grafeno e do nanocompósito de SnO₂–grafeno.
(Estudo e imagens: ©Deosakar et al., 2013)

O nanocompósito de SnO₂–grafeno foi preparado com sucesso através de uma nova e eficaz via de síntese química em solução assistida por ultrassons, e o óxido de grafeno foi reduzido por SnCl₂ a folhas de grafeno na presença de HCl. A análise TEM mostra a deposição uniforme e fina de SnO₂ nas nanofolhas de grafeno. Demonstrou-se que os efeitos de cavitação produzidos pela utilização de irradiações ultrassónicas intensificam a deposição fina e uniforme de SnO2 sobre nanofolhas de grafeno durante a reação de oxidação–redução entre o óxido de grafeno e SnCl₂·2H₂O. A intensificação da deposição fina e uniforme de nanopartículas de SnO2 (3–5 nm) sobre nanofolhas de grafeno reduzido é atribuída à melhoria da nucleação e da transferência de soluto devido ao efeito de cavitação induzido pelas irradiações ultrassónicas. A deposição fina e uniforme de nanopartículas de SnO₂ sobre nanofolhas de grafeno foi também confirmada pela análise TEM. Demonstra-se a aplicação do nanocompósito de SnO₂–grafeno sintetizado como material de ânodo em baterias de iões de lítio. A capacidade da bateria de lítio baseada no nanocompósito de SnO₂–grafeno é estável durante cerca de 120 ciclos, e a bateria conseguiu repetir uma reação estável de carga–descarga. (Deosakar et al., 2013)

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

Dispersão ultrassónica de nanopartículas em suspensões para baterias

Dispersão dos componentes dos elétrodos: Waser et al. (2011) prepararam elétrodos com fosfato de ferro e lítio (LiFePO₄). A suspensão continha LiFePO4 como material ativo e negro de carbono como aditivo eletricamente condutor; foi utilizado fluoreto de polivinilideno dissolvido em N-metilpirrolidinona (NMP) como ligante. A proporção em massa (após secagem) de AM/CB/PVDF nos elétrodos era de 83/8,5/8,5. Para preparar as suspensões, todos os constituintes dos elétrodos foram misturados em NMP com um agitador ultrassónico (UP200H, Hielscher Ultrasonics) durante 2 min a 200 W e 24 kHz.
A baixa condutividade elétrica e a difusão lenta dos iões de lítio ao longo dos canais unidimensionais de LiFePO₄ podem ser superadas incorporando LiFePO₄ numa matriz condutora, por exemplo, de negro de carbono. Uma vez que as partículas de dimensão nanométrica e as estruturas de partículas núcleo–casca melhoram a condutividade elétrica, a tecnologia de dispersão ultrassónica e a síntese sonoquímica de partículas núcleo–casca permitem produzir nanocompósitos superiores para aplicações em baterias.

Dispersão de fosfato de ferro e lítio: A equipa de investigação de Hagberg (Hagberg et al., 2018) utilizou o sonicador UP100H no procedimento de preparação de um elétrodo positivo estrutural constituído por fibras de carbono revestidas com fosfato de ferro e lítio (LFP). As fibras de carbono são feixes contínuos e autossustentados que atuam como coletores de corrente e proporcionarão rigidez e resistência mecânicas. Para um desempenho ideal, as fibras são revestidas individualmente, por exemplo, por deposição eletroforética.
Foram testadas diferentes proporções em massa de misturas constituídas por LFP, CB e PVDF. Estas misturas foram aplicadas como revestimento sobre fibras de carbono. Uma vez que, devido à distribuição não homogénea, a composição do banho de revestimento pode diferir da composição do próprio revestimento, utiliza-se uma agitação intensa por sonicação para minimizar a diferença.
Observaram que as partículas estão relativamente bem dispersas por todo o revestimento, o que é atribuído à utilização de um tensioativo (Triton X-100) e à etapa de sonicação anterior à deposição eletroforética.

Imagens SEM de secções transversais e de elevada ampliação de fibras de carbono revestidas por EPD. A mistura de LFP, CB e PVDF foi homogeneizada por ultrassons utilizando o sonicador UP100H. Ampliações: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Estudo e imagem: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersão do material catódico compósito de LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) investigaram a influência de etapas de processamento, como a sonicação, a pressão e a composição do material, em cátodos compósitos de LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Elétrodos compósitos positivos com espinela de LiNi_0.5 Mn_1.5O4 como material ativo, uma mistura de grafite e negro de carbono para aumentar a condutividade elétrica do elétrodo e fluoreto de polivinilideno (PVDF) ou uma mistura de PVDF com uma pequena quantidade de Teflon® (1 wt%) para formar o elétrodo. Foram processados por moldagem em fita sobre uma folha de alumínio como coletor de corrente, utilizando a técnica de lâmina niveladora. Além disso, as misturas dos componentes foram submetidas ou não a sonicação, e os elétrodos processados foram compactados ou não por prensagem a frio subsequente. Foram testadas duas formulações:
Formulação A (sem Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% negro de carbono; 2,5 wt% grafite; 12 wt% PVDF
Formulação B (com Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% negro de carbono; 2,5 wt% grafite; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Em ambos os casos, os componentes foram misturados e dispersos em N-metilpirrolidinona (NMP). A espinela de LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), juntamente com os outros componentes nas percentagens mencionadas previamente definidas, foi dispersa em 11 ml de NMP. Em alguns casos específicos, a mistura foi submetida a sonicação durante 25 min e depois agitada à temperatura ambiente durante 48 h. Noutros casos, a mistura foi apenas agitada à temperatura ambiente durante 48 h, ou seja, sem qualquer sonicação. O tratamento por sonicação promove uma dispersão homogénea dos componentes do elétrodo, e o elétrodo LNMS obtido apresenta um aspeto mais uniforme.
Foram preparados e estudados elétrodos compósitos com peso elevado, até 17mg/cm2, como elétrodos positivos para baterias de iões de lítio. A adição de Teflon® e a aplicação do tratamento por sonicação conduzem a elétrodos uniformes que aderem bem à folha de alumínio. Ambos os parâmetros contribuem para melhorar a capacidade extraída a taxas elevadas (5C). A compactação adicional dos conjuntos elétrodo/alumínio melhora consideravelmente o desempenho dos elétrodos a diferentes taxas. A uma taxa de 5C, verificam-se retenções de capacidade notáveis, entre 80% e 90%, para elétrodos com pesos no intervalo de 3–17mg/cm², com Teflon® na sua formulação, preparados após sonicação das misturas dos seus componentes e compactados sob 2 toneladas/cm².
Em resumo, os elétrodos com 1 wt% de Teflon® na sua formulação, cujas misturas de componentes foram submetidas a um tratamento por sonicação, compactados a 2 toneladas/cm2 e com pesos no intervalo de 2,7–17 mg/cm2, apresentaram um desempenho notável a diferentes taxas. Mesmo à corrente elevada de 5C, a capacidade de descarga normalizada situou-se entre 80% e 90% para todos estes elétrodos. (cf. Vidal et al., 2013)

Dispersores ultrassónicos de elevado desempenho para a produção de baterias

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui equipamento ultrassónico de elevada potência e elevado desempenho, utilizado para processar materiais de cátodos, ânodos e eletrólitos destinados a baterias de iões de lítio (LIB), baterias de iões de sódio (NIB) e outras células de bateria. Os sistemas ultrassónicos Hielscher são utilizados para sintetizar nanocompósitos, funcionalizar nanopartículas e dispersar nanomateriais em suspensões homogéneas e estáveis.
Com uma gama de processadores ultrassónicos que abrange desde a escala laboratorial até à escala totalmente industrial, a Hielscher é líder de mercado em dispersores ultrassónicos de elevado desempenho. Com mais de 30 anos de atividade no domínio da síntese de nanomateriais e da redução de tamanho, a Hielscher Ultrasonics tem uma vasta experiência no processamento ultrassónico de nanopartículas e oferece os processadores ultrassónicos mais potentes e fiáveis do mercado. A engenharia alemã proporciona tecnologia de ponta e qualidade robusta.
A tecnologia avançada, o elevado desempenho e o software sofisticado tornam os sonicadores Hielscher equipamentos de trabalho fiáveis no seu processo de fabrico de elétrodos. Todos os sistemas ultrassónicos são fabricados na sede em Teltow, na Alemanha, testados quanto à qualidade e robustez e depois distribuídos da Alemanha para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos sonicadores Hielscher foram concebidos para garantir uma operação fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. Os sonicadores Hielscher são robustos e apresentam um desempenho consistente, o que permite instalá-los em ambientes exigentes e operá-los em condições de serviço intensivo. As definições de funcionamento podem ser facilmente consultadas e ajustadas através de um menu intuitivo, acessível através do ecrã tátil digital a cores e do controlo remoto por navegador. Assim, todas as condições de processamento, como a energia líquida, a energia total, a amplitude, o tempo, a pressão e a temperatura, são automaticamente registadas num cartão SD integrado. Isto permite rever e comparar operações de sonicação anteriores e otimizar a síntese, a funcionalização e a dispersão de nanomateriais e compósitos para alcançar a máxima eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo para a síntese sonoquímica de nanomateriais e têm fiabilidade comprovada na dispersão de nanopartículas em suspensões coloidais estáveis. Os sonicadores industriais Hielscher podem funcionar continuamente com amplitudes elevadas e foram concebidos para operação 24/7. Podem gerar-se facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua com sonotrodos padrão (sondas ultrassónicas / cornetas). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
Os processadores ultrassónicos Hielscher para síntese sonoquímica, funcionalização, nanoestruturação e desaglomeração já estão instalados à escala comercial em todo o mundo. Contacte-nos agora para discutir a etapa do seu processo que envolve nanomateriais para o fabrico de baterias! A nossa equipa experiente terá todo o gosto em partilhar mais informações sobre resultados de dispersão superiores, sistemas ultrassónicos de elevado desempenho e preços!
Com a vantagem da sonicação, a sua produção avançada de elétrodos e eletrólitos destacar-se-á pela eficiência, simplicidade e baixo custo em comparação com outros fabricantes de elétrodos!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: