Síntese sonoquímica de materiais de eléctrodos para a produção de baterias

Na produção de células de bateria de elevado desempenho, os materiais nanoestruturados e os nanocompósitos desempenham um papel importante, proporcionando uma condutividade eléctrica superior, densidades de armazenamento mais elevadas, elevada capacidade e fiabilidade. Para obter 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 nano-processamento ultrassónico é a técnica superior, eficaz e fiável para produzir nanomateriais e nanocompósitos de alto desempenho para a produção de baterias avançadas.

Dispersão ultra-sónica de materiais electroquimicamente activos em pastas de eléctrodos

Os nanomateriais são utilizados como materiais de eléctrodos inovadores, o que resultou num desempenho significativamente melhorado das baterias recarregáveis. Superar a aglomeração, a agregação e a separação de fases é crucial para a preparação de lamas para o fabrico de eléctrodos, especialmente quando estão envolvidos materiais de dimensão nanométrica. Os nanomateriais aumentam a área de superfície ativa dos eléctrodos 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 tirar o máximo partido dos nanomateriais, estas partículas nanoestruturadas devem ser desembaraçadas e distribuídas como partículas separadas na pasta do elétrodo. A tecnologia de dispersão ultra-sónica fornece forças de alto cisalhamento (sonomecânicas) focalizadas, bem como energia sonoquímica, o que leva à mistura a nível atómico e à complexação de materiais de dimensão nanométrica.
As nanopartículas, como o grafeno, os nanotubos de carbono (CNT), os metais e os minerais de terras raras, devem ser uniformemente dispersas numa pasta estável, a fim de obter materiais de eléctrodos altamente funcionais.
Por exemplo, sabe-se que o grafeno e os CNT melhoram o desempenho das células das baterias, mas é necessário ultrapassar a aglomeração das partículas. Isto significa que é absolutamente necessária uma técnica de dispersão de alto desempenho, capaz de processar nanomateriais e, possivelmente, viscosidades elevadas. Os ultrasonicators do tipo sonda são o método de dispersão de alto desempenho, que pode processar nanomateriais mesmo em altas cargas sólidas de forma confiável e eficaz.

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

Quando outras técnicas de dispersão e mistura, tais como misturadores de alto cisalhamento, moinhos de esferas ou homogeneizadores de alta pressão chegam aos seus limites, a ultrassonografia é o método que se destaca para o processamento de micron e nanopartículas.
Os ultra-sons de alta potência e a cavitação acústica gerada por ultra-sons proporcionam condições de energia únicas e uma densidade de energia extrema que permite desaglomerar ou esfoliar nanomateriais, funcionalizá-los, sintetizar nanoestruturas em processos ascendentes e preparar nanocompósitos de elevado desempenho.
Uma vez que os ultrasonicadores Hielscher permitem o controlo preciso dos parâmetros de processamento ultrassónicos mais importantes, tais 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. Deste modo, os dispersores ultra-sónicos são altamente versáteis e podem ser utilizados para numerosas aplicações, por exemplo, dispersão de CNT, esfoliação de grafeno, síntese sonoquímica de partículas com núcleo ou 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 ultrassons industriais Hielscher para o processamento de nanomateriais no fabrico de baterias!

Abaixo pode encontrar várias aplicações ultrassónicas de processamento de nanomateriais:

Síntese ultra-sónica de nanocompósitos

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

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

SnO₂-O nanocompósito de grafeno foi preparado com êxito através de uma nova e eficaz via de síntese química baseada em soluções assistida por ultra-sons e o óxido de grafeno foi reduzido por SnCl₂ em folhas de grafeno na presença de HCl. A análise TEM mostra a carga uniforme e fina de SnO₂ em nanofolhas de grafeno. Os efeitos cavitacionais produzidos devido à utilização de irradiações ultra-sónicas demonstraram intensificar a carga fina e uniforme de SnO2 nas nanofolhas de grafeno durante a reação de oxidação-redução entre o óxido de grafeno e o SnCl₂-2H₂O. A carga fina e uniforme intensificada de nanopartículas de SnO2 (3-5 nm) em nanofolhas de grafeno reduzidas é atribuída à nucleação melhorada e à transferência de soluto devido ao efeito cavitacional induzido por irradiações ultra-sónicas. A carga fina e uniforme de SnO₂ sobre nanofolhas de grafeno foi também confirmada pela análise TEM. A aplicação das nanopartículas de SnO₂-como material anódico em baterias de iões de lítio. A capacidade do SnO₂-A bateria de lítio à base de nanocompósitos de grafeno é estável durante cerca de 120 ciclos, e a bateria pode repetir uma reação de carga-descarga estável. (Deosakar et al., 2013)

Imagem TEM de SnO₂-Nanocompósito de grafeno preparado por método sonoquímico. A barra indica (A) 10nm , (B) 5nm.
(Estudo e imagens: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersão ultra-sônica de nanopartículas em pastas de bateria

Dispersão dos componentes do elétrodo: Waser et al. (2011) prepararam eléctrodos com fosfato de lítio e ferro (LiFePO₄). A pasta continha LiFePO4 como material ativo, negro de carbono como aditivo condutor de eletricidade e fluoreto de polivinilideno dissolvido em N-metilpirrolidinona (NMP) como aglutinante. A relação de massa (após secagem) de AM/CB/PVDF nos eléctrodos foi de 83/8,5/8,5. Para preparar as suspensões, todos os componentes dos eléctrodos foram misturados em NMP com um agitador ultrassónico (UP200H, Hielscher Ultrasonics) durante 2 min a 200 W e 24 kHz.
Baixa condutividade eléctrica e lenta difusão de iões de lítio ao longo dos canais unidimensionais de LiFePO₄ pode ser ultrapassada através da incorporação de LiFePO₄ numa matriz condutora, por exemplo, negro de fumo. Uma vez que as partículas de dimensão nanométrica e as estruturas de partículas core-shell melhoram a condutividade eléctrica, a tecnologia de dispersão ultra-sónica e a síntese sonoquímica de partículas core-shell permitem produzir nanocompósitos de qualidade superior para aplicações em baterias.

Dispersão de fosfato de lítio e ferro: A equipa de investigação de Hagberg (Hagberg et al., 2018) utilizou o ultrassonicador UP100H para o procedimento de elétrodo positivo estrutural constituído por fibras de carbono revestidas com fosfato de ferro e lítio (LFP). As fibras de carbono são contínuas e autónomas, actuando como colectores de corrente e proporcionando rigidez e resistência mecânica. Para um desempenho ótimo, as fibras são revestidas individualmente, por exemplo, utilizando a deposição electroforética.
Foram testadas diferentes proporções em peso de misturas constituídas por LFP, CB e PVDF. Estas misturas foram revestidas em fibras de carbono. Uma vez que a distribuição não homogénea nas composições do banho de revestimento pode diferir da composição no próprio revestimento, é utilizada uma agitação rigorosa por ultra-sons para minimizar a diferença.
Observaram que as partículas estão relativamente bem dispersas em todo o revestimento, o que é atribuído à utilização de surfactante (Triton X-100) e à etapa de ultra-sons antes da deposição electroforética.

Secção transversal e imagens SEM de grande ampliação de fibras de carbono revestidas com EPD. A mistura de LFP, CB e PVDF foi homogeneizada por ultra-sons utilizando o ultrassonicador 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 catódico compósito:
Vidal et al. (2013) investigaram a influência das etapas de processamento, como a sonicação, a pressão e a composição do material para LiNi_0.5Mn_1.5O₄cátodos compostos.
Eléctrodos compósitos positivos com LiNi_0.5 Mn_1.5O4 como material ativo, uma mistura de grafite e negro de fumo para aumentar a condutividade eléctrica do elétrodo e polivinildenodifluoreto (PVDF) ou uma mistura de PVDF com uma pequena quantidade de Teflon® (1% em peso) para construir o elétrodo. Foram processados por tape casting numa folha de alumínio como coletor de corrente, utilizando a técnica de doctor blade. Além disso, as misturas de componentes foram sonicadas ou não, e os eléctrodos processados foram compactados ou não sob subsequente prensagem a frio. Foram testadas duas formulações:
Formulação A (sem Teflon®): 78 wt% 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®): 78wt% 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 outros componentes nas percentagens mencionadas, foi disperso em 11 ml de NMP. Em alguns casos particulares, a mistura foi submetida a ultra-sons 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 ultra-sons. O tratamento por sonicação promove uma dispersão homogénea dos componentes do elétrodo e o elétrodo de LNMS obtido tem um aspeto mais uniforme.
Foram preparados e estudados eléctrodos compósitos com peso elevado, até 17mg/cm2, como eléctrodos positivos para baterias de iões de lítio. A adição de Teflon® e a aplicação do tratamento de sonicação conduzem a eléctrodos uniformes e bem aderentes à folha de alumínio. Ambos os parâmetros contribuem para melhorar a capacidade drenada a taxas elevadas (5C). A compactação adicional dos conjuntos elétrodo/alumínio melhora consideravelmente as capacidades de débito dos eléctrodos. A uma taxa de 5C, verificam-se notáveis retenções de capacidade entre 80% e 90% para eléctrodos com pesos na gama de 3-17mg/cm²com Teflon® na sua formulação, preparados após sonicação das misturas dos seus componentes e compactados a 2 toneladas/cm².
Em suma, os eléctrodos com 1 wt% de Teflon® na sua formulação, as suas misturas de componentes submetidas a um tratamento de sonicação, compactadas a 2 toneladas/cm2 e com pesos na gama de 2,7-17 mg/cm2 mostraram uma notável capacidade de descarga. Mesmo com uma corrente elevada de 5C, a capacidade de descarga normalizada situou-se entre 80% e 90% para todos estes eléctrodos. (cf. Vidal et al., 2013)

Dispersores ultra-sónicos de alto desempenho para a produção de baterias

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui equipamento ultrassónico de alta potência e elevado desempenho, que é utilizado para processar materiais de cátodo, ânodo e eletrólito para utilização em baterias de iões de lítio (LIB), baterias de iões de sódio (NIB) e outras células de bateria. Os sistemas ultra-sónicos da Hielscher são utilizados para sintetizar nanocompósitos, funcionalizar nanopartículas e dispersar nanomateriais em suspensões homogéneas e estáveis.
Oferecendo um portfólio de laboratório para processadores ultra-sônicos escala totalmente industrial, Hielscher é o líder de mercado para dispersores de ultrassom de alto desempenho. Trabalhando há mais de 30 anos no domínio da síntese de nanomateriais e da redução de tamanhos, a Hielscher Ultrasonics tem uma vasta experiência no processamento de nanopartículas por ultra-sons e oferece os processadores ultra-sónicos mais potentes e fiáveis do mercado. A engenharia alemã fornece tecnologia de ponta e qualidade robusta.
A tecnologia avançada, o elevado desempenho e o software sofisticado transformam os ultrassons Hielscher em cavalos de batalha fiáveis no seu processo de fabrico de eléctrodos. Todos os sistemas de ultra-sons são fabricados na sede em Teltow, Alemanha, testados quanto à sua qualidade e robustez e são depois distribuídos a partir da Alemanha para todo o mundo.
O hardware sofisticado e o software inteligente dos ultrassons Hielscher foram concebidos para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. Os ultrassons Hielscher são robustos e consistentes em termos de desempenho, o que permite a sua instalação em ambientes exigentes e o seu funcionamento em condições de trabalho pesado. As definições operacionais podem ser facilmente acedidas e marcadas através de um menu intuitivo, que pode ser acedido através de um ecrã tátil digital a cores e de um controlo remoto via browser. 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 incorporado. Isto permite-lhe rever e comparar execuções de sonicação anteriores e otimizar a síntese, a funcionalização e a dispersão de nanomateriais e compósitos com a máxima eficiência.
Os sistemas de ultra-sons da Hielscher são utilizados em todo o mundo para a síntese sonoquímica de nanomateriais e provaram ser fiáveis para a dispersão de nanopartículas em suspensões coloidais estáveis. Os ultrasonicators industriais de Hielscher podem executar continuamente amplitudes elevadas e são construídos para a operação 24/7. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente geradas continuamente com sonotrodos padrão (sondas ultra-sônicas / chifres). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados.
processadores de ultra-sons Hielscher para a síntese sonoquímica, funcionalização, nano-estruturação e desaglomeração já estão instalados em todo o mundo em escala comercial. Contacte-nos agora para discutir a sua etapa do processo envolvendo nanomateriais para a fabricação de baterias! Nossa equipe bem experiente terá prazer em compartilhar mais informações sobre resultados de dispersão superior, sistemas de ultrassom de alto desempenho e preços!
Com a vantagem da ultrassonografia, a sua produção avançada de eléctrodos e electrólitos será excelente em termos de eficiência, simplicidade e baixo custo em comparação com outros fabricantes de eléctrodos!

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: