SPRAY PYROLYSIS OF YOLK–SHELL PARTICLES AND THEIR USE FOR

ANODES INLITHIUM-ION BATTERIES

Kelompok 5

SILIKON DALAM APLIKASI ENERGY STORAGE Silicon menyajikan banyak tantangan untuk pemanfaatan aplikasi energy storage, karena ketidak stabilan struktur pada lithiation, konduktivitas listrik yang rendah, cenderung untuk membentuk mekanik yang stabil, dan Solid Electrolyte Interphase (SEI)

Beberapa masalah yang ada di silicon dapat diatasi dengan mengurangi ukuran dari silicon partikel, mengkombinasi dengan material konduktif dan menggunakan aditif ke electrolyte seperti Fluoroethylene or Vinylene Carbonate (FEC, VC) dengan bantuan SEI yang stabil dan tebal.

STRUKTUR YOLK-SHELL Silicon berisi struktur york-shell yang dapat memperluas volume dari core selama Lithiation dengan meningkatkan konduktifitas listrik dan mencegah kontak antara silicon dengan electrolyte.

Struktur York-shell dengan spray-pyrolysis dapat menghasilkan nanoparticles.

Penambahan silicon partikel ke nickel oxide yang dapat membungkus silicon particles menjadi nickel oxide shell. Nickel Oxide shell dapat di reduksi menjadi nickel metallic menggunakan thermal annealing di lingkungan polimer. Thermal annealing mempertinggi konduktivitas listrik, dekomposisi dari polimer, dan pembentukan lapisan karbon amorf disekitar shell nickel yang dapat meningkatkan stabilitas anoda.

MATERIALS AND METHODS

Campuran dari 500 mg NiCl2.6H2O dan 100 mg dari Si nanopowders dilarutkan dalam 60 ml Distilled Water dengan menggunakan Probe Sonication. Larutan ini di aerosolisasi menggunakan collision nebulizer.

Argon digunakan sebagai carrier gas.

NiO (Shell)-Si(Yolk) terbentuk selama high temperature treatment. The nanopartikel dihilangkan dari gas stream menggunakan bubblers yang berisi Distilled Water

NiO-Si akan terdispersi di ethanol via sonication dan membentuk lapisan dengan tebal ~10 μm. Lapisan ini digunakan sebagai coating di half-cell battery.

Probe Sonication Collison Nebulizer

COATING

Coating dilakukan dengan dua pendekatan sebelum di uji

1. Coated substrated di anneal di 190°C di bawah aliran hidrogen selama 45 menit dengan tekanan 0.2 Torr untuk reduksi nickel oxide menjadi nickle metallic

2. Polyvinylpyrrolidone (PVP) dilarutkan dalam ethanol lalu ditambahkan larutan NiO-Si sebelum di coating. Coating di annealed di 500°C untuk 30 menit di bawah aliran Argon

Anoda di rakit menjadi CR2032 coin cell dengan lithium foil sebagai counter electrode. 1M LiPF6 di ethylene carbonate/diethyl carbonate (1/1 v/v) digunakan sebagai electrolyte.

RESULT AND DISCUSSION Gambar. 1a Ukuran partikel NiO di bawah 500 nm terlihat kosong dengan ketebalan shell sekitar 20 nm. Karakterisasi struktural menunjukan bahwa shell terdiri dari oksida nikel.

Gambar. 1b menunjukkan bahwa beberapa partikel lain hadir dalam shell.

Gambar. 1c hingga e menegaskan bahwa ada partikel silikon terjebak dalam shell oksida nikel dan menunjukkan bahwa ada empty buffer volume antara inti dan material shell, yaitu partikel memiliki struktur kuning-shell.

Pada Gambar. 2a menunjukkan hasil SEM dari nanopartikel berkurang dalam hidrogen. Bagian luar shell tampak berpori dan partikel yang lebih kecil dibedakan dalam cage.

Pada Gambar. 2b menunjukkan , Ketika reduksi dilakukan dengan adanya PVT aditif, lapisan luar tidak berpori. Juga menunjukkan bahwa lapisan karbon menyumbat lubang-lubang di shell nikel efektif penyegelan struktur cage.

Pada Gambar. 2c telah dilakukan perlakuan mekanik (melalui morter dan pastle) pada sampel (Gambar. 2b) untuk menghancurkan partikel dan memeriksa struktur inner (lihat Gambar. 2c). Setelah reduksi termal, empty buffer volume masih hadir antara inti silikon dan shell nikel.

Pada gambar. 2d menunjukan XRD spektra untuk partikel sebelum anil (NiO-Si), setelah anil dalam hidrogen (Ni-Si) dan setelah anil dengan adanya PVP (aC-Ni-Si). Spektrum ini mengkonfirmasi bahwa NiO reduksi menjadi logam nikel dalam kedua kasus. Perlakuan Anil dengan adanya PVT mengarah kepada pengurangan oksida nikel dan dekomposisi polimer menjadi lapisan karbon amorf.

Hasil Uji Elektrokimia (Half Cell Baterry)

• Kapasitas NiO-Si dihitung berdasarkan total berat coating, karena NiO dan Si sama-sama mengalami reaksi Lhitiation

• Kapasitas Ni-Si dan aC-Ni-Si dihitung hanya berat Silikon saja karena pada keduanya Nikel tidak berpartisipasi dalam reaksi Lithiation

• Layer karbon amorphous memberikan 10% berat material ter-coating terhadap aC-Ni-Si

Hasil charging dan discharging galvanostatic pada 0.1 C

Struktur aC-Ni-Si memiliki kapasitas discharge dan stabilitas terbaik

Adanya volume buffer antara partikel silikon dengan Nickel Cage.

Konduktifitas yang baik dihasilkan oleh Nickel cage

Adanya lapisan karbon amorphous, dimana

dapat mencegah kontak langsung antara partikel silikon dengan elektrolit

Cycle pertama, 3360 mAh/gr

Loss capacity 26%

Cycle ke-50, 2150 mAh/gr

Pada aC-Ni-Si, decay capacity terjadi dengan cepat. Sehingga dapat dikatakan keberadaan lapisan karbon amorphous belum cukup untuk meningkatkan performa baterai

Hasil p

erh

itun

gan d

engan C

yclic

Volu

mm

etri u

ntu

k

cycle

perta

ma d

an ke

dua.

• Puncak Lithiation pada 0.18 V, lebih jelas terlihat pada cycle kedua karena adanya perubahan struktur partikel silikon.

• Puncak delithiation terlihat pada 0.36 V dan 0.53 V.

Perfo

rma b

ate

rai a

C-N

i-Si p

ada la

ju cy

cle tin

gg

i

• Kapasitas discharge awal adalah 3240 mAh/gr

• Kapasitas discharge rata-rata selama 10 cycle pertama di 0.1 C ialah 2560 mAh/gr

• Kapasitas discharge rata-rata selama 100 cycle setelahnya pada 0.5 C ialah 1400 mAh/gr

Penambahan dari FEC pada electrolit meningkatkan kestabilan dari aC-Ni-Si & Ni-Si dengan membentuk lapian tipis pada permukaan silicon

Dilihat dari gambar 3d

Pada siklus 40 discharge capacities untuk :

anoda Ni-Si (~1450 mAh/g dengan FEC dan ~500

mAh/g tanpa FEC)

anoda aC-Ni-Si discharge capacitiesnya tidak

mengalami perubahan (~2300 mAh/g dengan/tanpa

FEC),hal ini karena elektrolit tidak berkontak langsung

dengan silicon pada struktur aC-Ni-Si

konduktivitas tinggi dari nikel memungkinkan

menggunakan bahan ini dikombinasi dengan beban

ringan, flexible substrate dengan less stringent untuk

conductivity requirement dibandingkan dengan foil

tembaga, yang mengarah ke peningkatan battery energy

densitinya.

Walaupun hasil percobaan ini menjanjikan,tapi masih

ada satu kelemahan poses pembungkusan di langkah

spray pyrolisis tidak sempurna.Jika dilihat dari TEM dan

SEM kita mungkin menemukan partikel silicon yang tidak

dilindunngi oleh nickel oxide shell dan empty nickel oxide

shells

KESIMPULAN

Nickel Oxide- Silicon dapat memberikan Amorphous Carbon-Nickel-Silicon-Shell (Shell-Yolk struktur).

Kombinasi dari lapisan Amorphous Carbon dengan Nickel Cage sangat baik unutk mempertinggi kestabilan struktur dalam siklus elektrokimia

TERIMA KASIH