Sel koin litium-ion laboratorium digunakan oleh para peneliti untuk pengujian kinerja elektrokimia cepat terhadap material katoda, material anoda, atau elektrolit/aditif baru yang disintesis. Karakteristiknya yang cepat, biaya rendah, dan standarisasi telah sangat mendorong kemajuan teknologi baterai litium-ion. Namun, selama tahap persiapan bubur sel koin, kesulitan dalam mendispersikan karbon hitam konduktif (seperti Super P, asetilena hitam, dll.) karena luas permukaan spesifiknya yang besar, energi permukaan yang tinggi, dan kecenderungan untuk menggumpal merupakan masalah yang umum dan menantang.
Hal ini menyebabkan pembentukan bubur yang tidak merata dan jaringan konduktif yang buruk. Hal ini pada akhirnya memengaruhi konduktivitas elektroda, kekuatan mekanis, dan kinerja elektrokimia baterai. Alasan utama kesulitan dispersi karbon hitam dan solusi yang sesuai adalah sebagai berikut:
1 Karakteristik Fisik dan Kimia Karbon Hitam
Partikel karbon hitam sangat halus, memiliki luas permukaan spesifik yang sangat besar, dan energi permukaan yang sangat tinggi. Terdapat gaya van der Waals yang kuat antar partikel, sehingga sangat rentan menggumpal menjadi agregat keras yang sulit dipecah. Permukaan sebagian besar karbon hitam bersifat hidrofobik, sehingga kompatibilitasnya buruk dengan pelarut polar yang umum digunakan (seperti NMP) dan sulit dibasahi oleh pelarut, yang menyebabkan agregasi partikel. Partikel karbon hitam biasanya membentuk agregat rantai bercabang atau seperti anggur (struktur primer), yang selanjutnya dapat menggumpal satu sama lain (struktur sekunder). Memecah struktur ini membutuhkan energi yang cukup.
Oleh karena itu, selama persiapan bubur, pilihlah jenis karbon hitam konduktif dengan dispersibilitas yang relatif lebih baik (misalnya, yang telah melalui proses perawatan permukaan). Jika perlu, keringkan karbon hitam dengan vakum sebelum digunakan (misalnya, 80-120°C selama beberapa jam) untuk menghilangkan kelembapan dan gas yang terserap.
2 Masalah Pelarut
Kadar air pelarut yang berlebihan: Ini adalah salah satu alasan paling umum. NMP sangat higroskopis. Kelembapan dapat:
Menyebabkan hidrolisis NMP, menghasilkan amina organik yang mengubah pH dan viskositas sistem.
Membentuk “lapisan air” pada permukaan hidrofobik karbon hitam, sehingga menghambat pembasahannya oleh pelarut.
Menyebabkan reaksi samping dengan pengikat PVDF, mempengaruhi kelarutan dan stabilitas dispersinya.
Meningkatkan gaya kapiler antara partikel karbon hitam, memperburuk penggumpalan.
Selain itu, pengotor dalam pelarut dapat mengganggu proses dispersi atau terserap ke permukaan karbon hitam.
Kontrol kelembaban pelarut secara ketat: Gunakan NMP dengan kemurnian tinggi dan, jika perlu, lakukan perawatan dehidrasi yang ketat sebelum digunakan (misalnya, dehidrasi saringan molekuler, distilasi, pembersihan gas inert).
Kontrol kelembaban sekitar di ruang persiapan bubur (biasanya diperlukan <30% RH, semakin rendah semakin baik) dan gunakan wadah tertutup untuk operasi.
3 Masalah Binder
PVDF yang tidak larut sepenuhnya dalam NMP, membentuk gel atau mikrogel, dapat membungkus partikel karbon hitam, sehingga lebih sulit tersebar dan menyebabkan terbentuknya apa yang disebut “mata ikan” atau butiran.
Konsentrasi PVDF atau berat molekul yang terlalu tinggi: Menyebabkan viskositas bubur terlalu tinggi, mengurangi efisiensi transmisi gaya geser dan mempersulit penyebaran gumpalan karbon hitam secara efektif.
Rantai molekul PVDF juga dapat terserap ke permukaan karbon hitam; jika penyerapannya terlalu kuat atau tidak tepat, hal itu juga dapat memengaruhi dispersi.
Gunakan PVDF dengan berat molekul yang sesuai dan kelarutan yang baik. Pastikan PVDF larut sempurna dalam NMP sebelum menambahkan bahan lain, sehingga terbentuk larutan koloid yang seragam dan transparan. Pemanasan yang tepat (misalnya, 50-60°C) dan pengadukan yang menyeluruh dapat dilakukan selama proses pelarutan.
4 Masalah Proses Persiapan Bubur
(1) Urutan penjumlahan yang tidak tepat
Urutan penambahan yang salah merupakan faktor kritis yang menyebabkan kegagalan dispersi.
Menambahkan bahan aktif (misalnya, LFP, NCM) terlalu dini: Partikel bahan aktif relatif besar. Jika ditambahkan terlebih dahulu atau bersamaan dengan agen konduktif, partikel yang lebih besar ini dapat "melindungi" agen konduktif, mencegahnya terpapar sepenuhnya terhadap gaya geser, dan agen konduktif dapat terbungkus oleh bahan aktif, membentuk pusat-pusat aglomerasi.
Metode yang tidak tepat dalam menambahkan bahan konduktif: Membuang semua bahan konduktif sekaligus menyebabkan konsentrasi tinggi secara lokal, yang langsung membentuk gumpalan keras yang sulit dipecah.
Solusi:
Mengoptimalkan urutan penambahan sangatlah penting:
Pelarut (NMP) + Pengikat (PVDF): Pertama, campurkan sebagian besar NMP (sekitar 70-80% dari total) dengan PVDF. Aduk rata pada suhu yang sesuai hingga larut sempurna, membentuk larutan koloid PVDF yang seragam dan transparan.
Agen Konduktif (Karbon Hitam + sebagian kecil sisa NMP): Campurkan agen konduktif (karbon hitam) dengan sedikit NMP yang telah disisihkan (sekitar 10-20%) untuk membentuk bubur/pasta agen konduktif dengan kandungan padatan rendah. Kemudian, dengan pengadukan berkecepatan tinggi (laju geser tinggi), secara perlahan dan bertahap, tambahkan bubur agen konduktif ini ke dalam larutan koloid PVDF dari langkah 1. Langkah ini penting untuk mendispersikan karbon hitam! Pertahankan pengadukan berkecepatan tinggi selama waktu yang cukup (misalnya, 30-60 menit) untuk memastikan karbon hitam terdispersi sempurna dan aglomeratnya terurai.
Bahan Aktif (LFP/NCM, dll.): Setelah memastikan karbon hitam terdispersi dengan baik, kurangi kecepatan pengadukan (untuk mencegah penggumpalan ulang) dan tambahkan bahan aktif katoda secara perlahan dan bertahap. Setelah penambahan, sesuaikan kecepatan pengadukan sesuai kebutuhan (kecepatan sedang-tinggi) untuk homogenisasi, hindari geseran berlebihan yang dapat merusak partikel bahan aktif.
Penyesuaian Viskositas (NMP yang tersisa): Tambahkan sisa NMP yang dicadangkan (sekitar 10%) seperlunya untuk menyesuaikan dengan viskositas target.
Deaerasi dan Penuaan: Gunakan pengadukan kecepatan rendah untuk deaerasi, atau deaerasi vakum. Berikan waktu penuaan yang sesuai agar bubur stabil.
(2) Kecepatan Pengadukan dan Gaya Geser Tidak Memadai:
Pendispersian karbon hitam membutuhkan laju geser yang cukup tinggi (kecepatan putar tinggi) untuk mengatasi gaya kohesif aglomerat. Desain bilah pengaduk yang tidak efisien atau kecepatan putar yang terlalu rendah tidak menghasilkan geser yang efektif. Waktu dispersi yang tidak memadai mencegah pemecahan aglomerat secara memadai.
Pastikan dispersi karbon hitam terjadi dalam kondisi viskositas rendah (hanya pelarut + pengikat + pelarut untuk sejumlah kecil agen konduktif) dan gaya geser tinggi. Hindari menambahkan bubuk karbon hitam kering langsung ke dalam bubur berviskositas tinggi atau menambahkannya bersamaan dengan bahan aktif dalam jumlah besar.
Optimalkan kecepatan dan waktu pengadukan: Kecepatan putar selama fase dispersi harus cukup tinggi (nilai spesifik bergantung pada peralatan, tetapi jauh lebih tinggi daripada fase pencampuran) dan menjamin waktu dispersi yang cukup agar gaya geser dapat bekerja. Waktu yang tidak mencukupi merupakan kesalahan umum.
(3) Program Pengadukan yang Tidak Wajar:
Terapkan strategi "dispersi bertahap": Bedakan dengan jelas antara fase "pembasahan/pencampuran" (kecepatan rendah) dan fase "dispersi" (kecepatan tinggi). Kecepatan tinggi/laju geser tinggi harus digunakan selama fase dispersi karbon hitam.
Kontrol suhu bubur: Proses dispersi dapat menghasilkan panas. Suhu yang terlalu tinggi dapat menyebabkan penguapan pelarut atau reaksi samping. Gunakan jaket pendingin jika perlu untuk mengontrol suhu (misalnya, <40°C). Catatan: Pemanasan mungkin diperlukan saat melarutkan PVDF.
Kontrol kadar padatan/viskositas akhir: Viskositas bubur yang terlalu tinggi secara keseluruhan akan sangat melemahkan efisiensi transmisi gaya geser, sehingga menyulitkan dispersi. Meskipun kinerja pelapisan tetap terjaga, mengurangi kadar padatan secara tepat selama fase dispersi awal akan meningkatkan dispersi karbon hitam. Viskositas akhir disesuaikan menggunakan pelarut yang telah disediakan.
5 Masalah Peralatan
Jenis mixer dan desain bilah yang tidak tepat: Menggunakan mixer yang tidak cocok untuk viskositas tinggi atau tuntutan geser tinggi (misalnya, pengaduk dayung sederhana), atau bilah yang tidak dapat menghasilkan aliran geser dan aliran sirkulasi yang cukup, yang menyebabkan zona mati.
Zona mati dalam wadah atau bilah: Menyebabkan bubur lokal tidak berpartisipasi dalam pencampuran dan penyebaran yang efektif.
Pilih peralatan dispersi geser tinggi: Seperti mixer planet, mixer planet ganda, pendispersi kecepatan tinggi, atau peralatan dispersi geser tinggi in-line. Hindari penggunaan peralatan pengaduk sederhana dengan gaya geser yang tidak memadai.
Optimalkan desain bilah: Pilih kombinasi bilah yang menghasilkan aliran geser kuat dan aliran sirkulasi yang baik (misalnya, cakram dispersi gigi gergaji + dayung jangkar).
Pastikan peralatan bersih dan bebas dari residu: Bersihkan secara menyeluruh sebelum dan sesudah setiap penggunaan untuk mencegah residu bubur kering menjadi tempat nukleasi untuk penggumpalan.
6 Faktor Lingkungan
Kelembapan lingkungan yang tinggi mempercepat penyerapan air pelarut (NMP), sehingga memperburuk masalah kelembapan. Kontrol kelembapan lingkungan di ruang persiapan bubur secara ketat.
Penguatan Pemantauan dan Pengendalian Mutu Proses Penyiapan Slurry:
Pemantauan Daring: Pantau daya/torsi pengadukan, suhu, dan tingkat vakum (jika ada) secara real-time.
Pengujian Bubur:
Uji Kehalusan: Metode cepat dan intuitif untuk menilai ukuran partikel maksimum dalam bubur dan menilai tingkat dispersinya. Bubur yang memenuhi syarat harus memenuhi target kehalusan (misalnya, ≤20µm).
Viskositas dan Sifat Reologi: Ukur viskositas dan perubahannya terhadap laju geser (kurva reologi). Bubur yang terdispersi dengan baik biasanya menunjukkan perilaku reologi yang lebih stabil.
Resistivitas/Konduktivitas: Ukur resistivitas bubur. Bubur yang terdispersi dengan baik memiliki jaringan konduktif yang lebih lengkap, sehingga menghasilkan resistivitas yang lebih rendah dan lebih stabil.
Uji Stabilitas: Amati bubur untuk sedimentasi atau flokulasi dalam kondisi statis atau pengadukan kecepatan rendah.
Pengamatan Morfologi Mikroskopis (SEM/TEM): Amati keadaan distribusi karbon hitam pada permukaan bahan aktif menggunakan bubuk bubur kering atau elektroda berlapis. Ini adalah metode paling langsung untuk mengevaluasi efektivitas dispersi.
Ringkasan
Memecahkan masalah dispersi karbon hitam membutuhkan pemikiran sistematis dan operasi yang presisi. Mengontrol kadar air pelarut, mengoptimalkan urutan penambahan (memastikan karbon hitam terdispersi dalam viskositas rendah dan geser tinggi), serta menjamin gaya geser dan waktu dispersi yang memadai merupakan tiga elemen terpenting. Di samping itu, pemilihan peralatan yang tepat, pengendalian lingkungan, dan pemantauan ketat kualitas bahan baku dan proses juga krusial. Sebelum menggunakan agen pendispersi, penting untuk mempertimbangkan semua langkah optimasi proses. Melalui langkah-langkah komprehensif yang diuraikan di atas, masalah dispersi karbon hitam yang buruk dalam bubur katoda dapat diatasi secara efektif, sehingga memungkinkan persiapan elektroda baterai litium-ion berkinerja tinggi.
Produksi karbon hitam konduktif untuk baterai litium hampir seluruhnya menggunakan proses penggilingan jet. Hal ini karena penggilingan jet secara efektif mendispersikan agregat karbon hitam ke ukuran konduktif dengan cara yang rendah polusi. Proses ini juga dapat mempertahankan struktur rantai inheren dan krusialnya semaksimal mungkin. Hal ini memastikan produk akhir memiliki sifat konduktif yang sangat baik. Material baterai litium memiliki toleransi yang sangat rendah terhadap pengotor logam (seperti Fe, Cu, dan Zn). Hal ini dapat berdampak signifikan pada masa pakai dan keamanan baterai. Penggilingan jet beroperasi berdasarkan prinsip tumbukan antar partikel. Tindakan yang relatif lembut ini secara efektif memecah agregat yang lebih besar tanpa merusak struktur rantai internalnya yang berharga secara berlebihan.
Bubuk Epik
Epic Powder menawarkan sistem layanan purna jual yang lengkap. Layanan ini mencakup segalanya, mulai dari pemasangan dan komisioning peralatan hingga pelatihan operasional, pemeliharaan, dan dukungan. Sebagai merek yang mapan di industri ini, Epic Powder Machinery berkomitmen pada fokus pada pelanggan, kualitas, dan inovasi. Kami adalah mitra terpercaya Anda untuk kesuksesan jangka panjang. Pilih Epic Powder untuk solusi pemrosesan bubuk yang efisien, hemat energi, dan ramah lingkungan!