Pendahuluan
Seiring dengan permintaan baterai lithium-ion yang terus meningkat, didorong oleh meningkatnya penggunaan kendaraan listrik dan integrasi sumber energi terbarukan, muncul kekhawatiran terkait ketersediaan dan keterjangkauan bahan baku yang penting. Tren kenaikan harga bahan baku yang diamati dalam beberapa tahun terakhir semakin menggarisbawahi kebutuhan mendesak untuk mengeksplorasi alternatif yang memanfaatkan sumber daya yang tersedia dan didistribusikan secara lebih merata dengan tetap mempertahankan kinerja yang sebanding. Menanggapi tantangan ini, para peneliti telah secara aktif mengeksplorasi berbagai bahan sebagai alternatif potensial untuk baterai lithium-ion [1]. Kami sebelumnya melaporkan bagaimana teknik termoanalitik dapat bermanfaat dalam mendukung penelitian penyimpanan energi elektrokimia terkait baterai lithium-ion [2, 3, 4] dan di sini, kami akan menunjukkan bagaimana teknik ini mampu berkontribusi pada penyelidikan material baru untuk baterai.
Khususnya bahan organik untuk baterai menunjukkan harapan karena pemanfaatan senyawa berbasis karbon yang melimpah dan (berpotensi) terbarukan [5]. Namun, mereka biasanya dicirikan oleh konduktivitas elektronik yang sangat rendah yang menghalangi penerapannya sebagai anoda dan katoda, karena pasokan elektron sangat penting untuk perkembangan reaksi elektrokimia. Untuk mengatasi masalah ini, sejumlah besar karbon konduktif ditambahkan ke senyawa ini untuk meningkatkan konduktivitasnya. Namun, karbon ini adalah senyawa yang tidak aktif (yaitu, tidak menyimpan atau melepaskan energi ketika mengisi atau mengosongkan baterai) dan mengurangi densitas energi yang dapat dicapai dengan mengurangi fraksi berat bahan aktif yang tersedia dalam elektroda. Oleh karena itu, menemukan jumlah karbon konduktif yang optimal dalam elektroda organik merupakan tantangan mendasar untuk meningkatkan kinerjanya dalam baterai. Dalam kasus spesifik dari catatan aplikasi ini, polimer aktif-redoks (poli(2,2,6,6-tetrametil-1-piperidinyloxy metakrilat, atau PTMA) disintesis dengan beberapa aditif karbon dalam berbagai rasio berat antara polimer dan karbon (lihat gambar 1 untuk skema sintesis) [6]. Kami kemudian menjelaskan bagaimana analisis termogravimetri diterapkan untuk mengukur jumlah aktual polimer dan karbon konduktif yang ada dalam sampel, untuk memeriksa apakah rasio yang direncanakan antara kedua komponen ini dipertahankan selama proses sintesis dua langkah.
Kondisi Pengukuran
Analisis termogravimetri dilakukan dengan TG 209 F1 Libra® . Semua pengujian dilakukan pada laju pemanasan 5 K/menit dengan total aliran gas 40 ml/menit. Krusibel terbuka alumina (85 μl) digunakan, diisi dengan 10 ± 0,010 mg bahan sampel. Sampel ditetapkan sebagai berikut (rasio berat teoritis):
- PTMA-GN15: 85% PTMA, 15% pelat nano graphene
- PTMA-SP15: 85% PTMA, 15% Karbon HitamSuhu dan atmosfer (gas pembersih) memengaruhi hasil perubahan massa. Dengan mengubah atmosfer dari, misalnya, nitrogen ke udara selama pengukuran TGA, pemisahan dan kuantifikasi aditif, misalnya, karbon hitam, dan polimer curah dapat dilakukan. karbon hitam
- PTMA-MW15: 85% PTMA, 15% tabung nano karbon berdinding banyak
- PTMA-MW10: 90% PTMA, 10% tabung nano karbon berdinding banyak
- PTMA-MW5: 95% PTMA, 5% tabung nano karbon berdinding banyak
- PTMA-MW2.5: 97,5% PTMA, 2,5% tabung nano karbon berdinding banyak
Hasil Pengukuran
Batch yang disintesis menjalani analisis melalui TG, menggunakan protokol dua langkah. Awalnya, PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis dilakukan dalam lingkungan gas inert (N2), mencapai 800°C, dilanjutkan dengan periode pendinginan. Selanjutnya, OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi dilakukan dalam campuran 5%O2 dan 95% N2, sekali lagi mencapai 800°C untuk sampel yang mengandung tabung nano karbon berdinding banyak dan 1000°C untuk sampel yang mengandung jenis aditif konduktif lainnya. Hal ini dilakukan untuk memastikan pembakaran karbon yang sempurna, yang berhasil dicapai untuk setiap sampel (lihat gambar 2a dan 2b untuk tren suhu selama percobaan dan TG dan DTG terkait untuk setiap sampel).
Tahap PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis menginduksi dekomposisi komponen polimer dengan sebagian besar produk sampingan dekomposisi berupa gas dan meninggalkan wadah. Namun, sebagian kecil polimer terurai menjadi jelaga PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis, yang dikarakterisasi sebagai partikel karbon [7]. Akibatnya, kehilangan massa selama PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis tidak secara tepat mencerminkan fraksi berat polimer, karena sebagian kecil yang signifikan tetap bertahan sebagai produk padat. Langkah OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi selanjutnya sangat penting untuk menghilangkan spesies karbon yang tersisa, yang merupakan campuran jelaga PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis dan aditif karbon konduktif.
DTG selama OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi menunjukkan dua puncak pada sampel tertentu (gambar 2c dan 2d). Puncak suhu yang lebih rendah terkait dengan OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi jelaga pirolitik yang dihasilkan dari PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis polimer pada kisaran suhu antara sekitar 400°C dan 550°C, sedangkan puncak kedua (akhirnya) sesuai dengan pembakaran aditif konduktif [7]. Pengukuran kehilangan massa ke titik di mana nilai absolut DTG mencapai minimum di antara dua puncak memungkinkan estimasi kuantitas polimer dalam campuran dengan menggabungkan kehilangan massa dari PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis dan OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi jelaga pirolitik.
Bersamaan dengan percobaan pada sampel karbon PTMA, aditif karbon konduktif itu sendiri adalah subjek percobaan TG. Cawan lebur diisi dengan jumlah aditif karbon yang diharapkan dalam 10 mg campuran polimer-karbon. Sebagai contoh, untuk sampel PTMA-MW15, 1,5 mg aditif digunakan dalam percobaan ini, yang sesuai dengan fraksi berat 15% dalam 10 mg campuran polimer-karbon.
Gambar 3 mengilustrasikan perbandingan antara turunan kehilangan massa selama OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi sampel dan kehilangan massa dari aditif karbon saja. Penyajian kehilangan massa pada sumbu y sebagai nilai absolut, bukan sebagai persentase, berguna untuk memeriksa apakah puncak DTG pada suhu yang lebih tinggi yang diamati pada sampel PTMA-karbon sesuai dengan puncak OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi dari masing-masing aditif karbon.
Khususnya, untuk PTMA-GN15 dan PTMA-MW15, puncak kedua dalam OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi sampel sesuai dengan puncak OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi aditif karbon (lihat gambar 3b dan 3d). Dalam kasus sampel PTMA-SP15 dan PTMA-MW10, puncak OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi kedua terjadi pada suhu yang lebih rendah daripada aditif karbon (gambar 3a dan 3d). Perbedaan ini mungkin timbul dari panas yang dilepaskan selama OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi jelaga PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis sebelumnya, yang berpotensi menurunkan energi aktivasi untuk OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi aditif karbon, dan menunjukkan kontak yang intim antara polimer dan aditif. Terakhir, sampel PTMA-MW5 dan MW-2.5 tidak memiliki puncak kedua (gambar 2d dan gambar 3e dan 3f), sehingga tidak memungkinkan untuk membedakan kedua kontribusi tersebut. Hal ini mungkin disebabkan oleh jumlah aditif konduktif yang sangat rendah yang ada dalam sampel tersebut (masing-masing 5% dan 2,5%, dalam berat), OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi yang secara drastis ditingkatkan oleh energi yang dilepaskan oleh pembakaran jelaga PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis yang dibentuk oleh polimer.
Hasil komposisi sampel aktual dirinci dalam tabel 1. Komposisi sampel aktual diperoleh dengan membagi kehilangan massa yang terkait dengan polimer dan karbon, serta massa residu dalam wadah (residu), dengan jumlah awal massa sampel dalam wadah (10 mg) dan mengalikannya dengan 100 untuk mendapatkan persentase.
Tabel 1: Hasil komposisi sampel aktual
| Sampel | Aditif | Kehilangan massa selama PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis [mg] | Kehilangan massa selama OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi yang terkait dengan polimer [mg] | Suhu @ DTG minium [°C] | Komposisi sampel yang direncanakana | Komposisi sampel aktualb |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PTMA-GN15 | Pelat nano grafena | 7.72 | 0.64 | 607 | 85/15 | 83.6/15.4/1.0 |
| PTMA-SP15 | Karbon hitam | 7.76 | 0.51 | 580 | 85/15 | 82.7/16.6/0.7 |
| PTMA-MW15 | Tabung nano karbon berdinding banyak | 7.69 | 0.67 | 543 | 85/15 | 83.5/13.5/3-0 |
| PTMA-MW10 | Tabung nano karbon berdinding banyak | 8.13 | 0.63 | 520 | 90/10 | 87.6/10.1/2.3 |
| PTMA-MW5 | Tabung nano karbon berdinding banyak | 8.67 | - | - | 95/5 | - |
| PTMA-MW2.5 | Tabung nano karbon berdinding banyak | 8.89 | - | - | 95.5/2.5 | - |
aRasioberatpolimer/aditif konduktif
bRasio berat polimer/aditif konduktif/impuritas
Kesimpulan
Analisis termogravimetri mengonfirmasi keberadaan bagian polimer dan bagian karbon dalam sampel, dan massa residu pada akhir OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi menunjukkan jumlah residu non-volatil yang ada dalam sampel karena sisa-sisa proses sintesis. Pengukuran ini memungkinkan untuk menghitung komposisi yang akurat dari sampel bubuk. Fraksi berat PTMA yang dihasilkan dari kurva TG sekitar 1,5 hingga 2,5% lebih rendah dari yang teoritis, mungkin karena fraksi small monomer non-polimerisasi setelah langkah sintesis pertama yang hilang selama pemrosesan produk. Namun demikian, komposisi yang direncanakan berhasil diperoleh dalam tingkat akurasi yang wajar, yang menegaskan keampuhan proses sintesis yang dipilih. Selain itu, penentuan fraksi berat polimer redoks-aktif dalam sampel memungkinkan perhitungan yang akurat dari kapasitas baterai yang dibuat dengan campuran PTMA-karbon sebagai katoda.