التخليق الكيميائي الصوتي لمواد الأقطاب لإنتاج البطاريات

في إنتاج خلايا البطاريات عالية الأداء، تؤدي المواد ذات البنية النانوية والمركبات النانوية دورًا مهمًا في توفير موصلية كهربائية فائقة، وكثافات تخزين أعلى، وسعة عالية وموثوقية. ولتحقيق الوظائف الكاملة للمواد النانوية، يجب تشتيت الجسيمات النانوية كلٌّ على حدة أو تقشيرها، وقد تحتاج إلى خطوات معالجة إضافية مثل التعديل الوظيفي. وتُعد المعالجة النانوية بالموجات فوق الصوتية التقنية المتفوقة والفعالة والموثوقة لإنتاج مواد نانوية ومركبات نانوية عالية الأداء لإنتاج البطاريات المتقدمة.

تشتيت المواد النشطة كهروكيميائيًا بالموجات فوق الصوتية في معلقات الأقطاب

تُستخدم المواد النانوية بوصفها مواد مبتكرة للأقطاب، مما أدى إلى تحسن كبير في أداء البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ويُعد التغلب على التكتل والتجمع وانفصال الأطوار أمرًا بالغ الأهمية لتحضير المعلقات اللازمة لتصنيع الأقطاب، ولا سيما عند استخدام مواد ذات أحجام نانوية. وتزيد المواد النانوية مساحة السطح النشط لأقطاب البطاريات، مما يتيح لها امتصاص مزيد من الطاقة أثناء دورات الشحن وزيادة سعتها الإجمالية لتخزين الطاقة. وللاستفادة الكاملة من المواد النانوية، يجب فك تشابك هذه الجسيمات ذات البنية النانوية وتوزيعها بوصفها جسيمات منفصلة في معلق القطب. وتوفر تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية قوى مركزة ذات قص عالٍ (ميكانيكية صوتية)، إلى جانب طاقة كيميائية صوتية، مما يؤدي إلى الخلط وتكوين المعقدات على المستوى الذري للمواد ذات الأحجام النانوية.
يجب تشتيت الجسيمات النانوية، مثل الغرافين والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والمعادن ومعادن العناصر الأرضية النادرة، بصورة متجانسة في معلق مستقر للحصول على مواد أقطاب ذات خصائص وظيفية عالية.
فعلى سبيل المثال، يُعرف الغرافين والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) بقدرتهما على تحسين أداء خلايا البطاريات، ولكن يجب التغلب على تكتل الجسيمات. وهذا يعني أن تقنية تشتيت عالية الأداء، قادرة على معالجة المواد النانوية وربما اللزوجات العالية، مطلوبة على نحو لا غنى عنه. وتُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار وسيلة تشتيت عالية الأداء، تستطيع معالجة المواد النانوية بموثوقية وفعالية حتى عند المحتويات العالية من المواد الصلبة.

لماذا تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية التقنية المتفوقة لمعالجة المواد النانوية؟

عندما تبلغ تقنيات التشتيت والخلط الأخرى، مثل الخلاطات عالية القص ومطاحن الخرز أو المجانسات عالية الضغط، حدود قدراتها، تبرز المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها الطريقة المتميزة لمعالجة الجسيمات الميكرونية والنانوية.
توفر الموجات فوق الصوتية عالية القدرة والتجويف الصوتي المتولد عنها ظروف طاقة فريدة وكثافة طاقة شديدة الارتفاع، مما يتيح تفكيك تكتلات المواد النانوية أو تقشيرها، وتعديلها وظيفيًا، وتخليق البنى النانوية في عمليات البناء من الأسفل إلى الأعلى، وتحضير مركبات نانوية عالية الأداء.
نظرًا إلى أن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher تتيح التحكم الدقيق في أهم معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مثل الشدة (Ws/mL) والسعة (µm) ودرجة الحرارة (ºC/ºF) والضغط (bar)، يمكن ضبط ظروف المعالجة بصورة مستقلة للوصول إلى الإعدادات المثلى لكل مادة وعملية. ولذلك تتمتع أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية بتعدد كبير في الاستخدامات، ويمكن استخدامها في تطبيقات عديدة، مثل تشتيت الأنابيب النانوية الكربونية (CNT)، وتقشير الغرافين، والتخليق الكيميائي الصوتي لجسيمات اللب–القشرة أو التعديل الوظيفي لجسيمات السيليكون النانوية.

صور مجهرية بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لمادة Na0.44MnO2 المحضرة كيميائيًا صوتيًا بالتكليس عند 900°C لمدة 2 h.
(الدراسة والصورة: ©Shinde et al., 2019)

تعرّف على المزيد عن أجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لمعالجة المواد النانوية في تصنيع البطاريات!

يمكنك الاطلاع أدناه على تطبيقات متنوعة لمعالجة المواد النانوية بالموجات فوق الصوتية:

تخليق المركبات النانوية بالموجات فوق الصوتية

التخليق بالموجات فوق الصوتية للغرافين–SnO₂ بوصفه مركبًا نانويًا: طوّر الفريق البحثي لـ Deosakar et al. (2013) مسارًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتحضير مركب نانوي من الغرافين–SnO2. ودرسوا تأثيرات التجويف المتولدة عن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة أثناء تخليق مركب الغرافين–SnO2. واستخدموا جهازًا من Hielscher Ultrasonics للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتُظهر النتائج تحسنًا بفعل الموجات فوق الصوتية في التحميل الدقيق والمتجانس لـ SnO₂ على صفائح الغرافين النانوية، بواسطة تفاعل أكسدة–اختزال بين أكسيد الغرافين وSnCl₂·2H₂O مقارنةً بطرق التخليق التقليدية.

مخطط يوضح عملية تكوّن أكسيد الغرافين والمركب النانوي SnO₂–الغرافين.
(الدراسة والصور: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–الغرافين مركب نانوي جرى تحضيره بنجاح عبر مسار جديد وفعال للتخليق الكيميائي القائم على المحاليل بمساعدة الموجات فوق الصوتية، واختُزل أكسيد الغرافين بواسطة SnCl₂ إلى صفائح غرافين بوجود HCl. ويُظهر تحليل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) التحميل المتجانس والدقيق لـ SnO₂ في صفائح الغرافين النانوية. وقد ثبت أن تأثيرات التجويف الناتجة عن استخدام التشعيع بالموجات فوق الصوتية تعزز التحميل الدقيق والمتجانس لـ SnO2 على صفائح الغرافين النانوية أثناء تفاعل الأكسدة–الاختزال بين أكسيد الغرافين وSnCl₂·2H₂O. ويُعزى تعزيز التحميل الدقيق والمتجانس لجسيمات SnO2 النانوية (3–5 nm) على صفائح الغرافين النانوية المختزلة إلى تعزيز التنوي وانتقال المذاب بفعل تأثير التجويف الناجم عن التشعيع بالموجات فوق الصوتية. كما تأكد التحميل الدقيق والمتجانس لجسيمات SnO₂ النانوية على صفائح الغرافين النانوية من تحليل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). وقد أُثبت استخدام المركب النانوي المُخلَّق SnO₂–الغرافين بوصفه مادة أنود في بطاريات أيونات الليثيوم. وتبقى سعة بطارية الليثيوم القائمة على المركب النانوي SnO₂–الغرافين مستقرة لنحو 120 دورة، ويمكن للبطارية تكرار تفاعل شحن–تفريغ مستقر. (Deosakar et al., 2013)

صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) للمركب النانوي SnO₂–الغرافين المحضر بالطريقة الكيميائية الصوتية. يشير شريط المقياس في (A) إلى 10nm، وفي (B) إلى 5nm.
(الدراسة والصور: ©Deosakar et al., 2013)

تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية في معلقات البطاريات

تشتيت مكونات الأقطاب: حضّر Waser et al. (2011) أقطابًا باستخدام فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄). احتوى المعلق على LiFePO4 بوصفه مادة نشطة، وأسود الكربون بوصفه مادة مضافة موصلة للكهرباء، واستُخدم فلوريد متعدد الفينيلدين المذاب في N-ميثيل بيروليدينون (NMP) بوصفه مادة رابطة. وكانت النسبة الكتلية (بعد التجفيف) لـ AM/CB/PVDF في الأقطاب 83/8.5/8.5. ولتحضير المعلقات، خُلِطت جميع مكونات الأقطاب في NMP باستخدام مقلب بالموجات فوق الصوتية (UP200H, Hielscher Ultrasonics) لمدة 2 min بقدرة 200 W وتردد 24 kHz.
يمكن التغلب على انخفاض الموصلية الكهربائية وبطء انتشار أيونات الليثيوم على طول القنوات أحادية البعد في LiFePO₄ من خلال تضمين LiFePO₄ في مصفوفة موصلة، مثل أسود الكربون. وبما أن الجسيمات ذات الأحجام النانوية وبنى جسيمات اللب–القشرة تحسن الموصلية الكهربائية، فإن تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية والتخليق الكيميائي الصوتي لجسيمات اللب–القشرة يتيحان إنتاج مركبات نانوية فائقة لتطبيقات البطاريات.

تشتيت فوسفات حديد الليثيوم: استخدم الفريق البحثي لـ Hagberg (Hagberg et al., 2018) جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP100H في إجراء تحضير قطب موجب إنشائي يتكون من ألياف كربونية مطلية بفوسفات حديد الليثيوم (LFP). والألياف الكربونية عبارة عن حزم مستمرة قائمة بذاتها تعمل بوصفها مجمعات للتيار وتوفر الصلابة والمقاومة الميكانيكيتين. وللحصول على الأداء الأمثل، تُطلى الألياف كلٌّ على حدة، مثلًا باستخدام الترسيب بالرحلان الكهربائي.
اختُبرت نسب وزنية مختلفة لمخاليط تتكون من LFP وCB وPVDF. وطُليت الألياف الكربونية بهذه المخاليط. وبسبب التوزيع غير المتجانس في حمام الطلاء، قد يختلف تركيب الحمام عن تركيب الطلاء نفسه، ولذلك يُستخدم التقليب المكثف بالموجات فوق الصوتية لتقليل هذا الاختلاف.
ولاحظوا أن الجسيمات مشتتة بصورة جيدة نسبيًا في جميع أنحاء الطلاء، ويُعزى ذلك إلى استخدام مادة خافضة للتوتر السطحي (Triton X-100) وخطوة المعالجة بالموجات فوق الصوتية قبل الترسيب بالرحلان الكهربائي.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لمقطع عرضي وبتكبير عالٍ لألياف كربونية مطلية بالترسيب بالرحلان الكهربائي (EPD). جرى تجنيس خليط LFP وCB وPVDF بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP100H. درجات التكبير: a) 0.8kx، b) 0.8kx، c) 1.5kx، d) 30kx.
(الدراسة والصورة: ©Hagberg et al., 2018)

تشتيت LiNi_0.5Mn_1.5O₄ بوصفه مادة كاثود مركبة:
درس Vidal et al. (2013) تأثير خطوات المعالجة، مثل المعالجة بالموجات فوق الصوتية والضغط وتركيب المادة، في كاثودات LiNi_0.5Mn_1.5O₄ المركبة.
تحتوي الأقطاب الموجبة المركبة على سبينل LiNi_0.5 Mn_1.5O4 بوصفه مادة نشطة، ومزيج من الغرافيت وأسود الكربون لزيادة الموصلية الكهربائية للقطب، وعلى فلوريد متعدد الفينيلدين (PVDF) أو مزيج من PVDF مع كمية صغيرة من Teflon® (1 wt%) لبناء القطب. وقد جرت معالجتها بالصب الشريطي على رقاقة ألومنيوم بوصفها مجمعًا للتيار باستخدام تقنية شفرة التسوية. بالإضافة إلى ذلك، خضعت مخاليط المكونات للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أو لم تخضع لها، وكُبست الأقطاب المعالجة أو لم تُكبس تحت ضغط بارد لاحق. واختُبرت تركيبتان:
التركيبة A (بدون Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4؛ 7.5 wt% أسود الكربون؛ 2.5 wt% غرافيت؛ 12 wt% PVDF
التركيبة B (مع Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4؛ 7.5wt% أسود الكربون؛ 2.5 wt% غرافيت؛ 11 wt% PVDF؛ 1 wt% Teflon®
في كلتا الحالتين، خُلِطت المكونات وشُتِّتت في N-ميثيل بيروليدينون (NMP). وشُتِّت سبينل LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g)، مع المكونات الأخرى بالنسب المحددة المذكورة، في 11 ml من NMP. وفي بعض الحالات المحددة، خضع الخليط للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 25 min ثم قُلِّب عند درجة حرارة الغرفة لمدة 48 h. وفي حالات أخرى، اقتصر الأمر على تقليب الخليط عند درجة حرارة الغرفة لمدة 48 h، أي دون أي معالجة بالموجات فوق الصوتية. تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية التشتيت المتجانس لمكونات القطب، ويبدو قطب LNMS الناتج أكثر تجانسًا.
حُضِّرت أقطاب مركبة ذات أوزان عالية تصل إلى 17mg/cm2، ودُرست بوصفها أقطابًا موجبة لبطاريات أيونات الليثيوم. وتؤدي إضافة Teflon® وتطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى أقطاب متجانسة جيدة الالتصاق برقاقة الألومنيوم. ويسهم كلا العاملين في تحسين السعة المستخرجة عند معدلات عالية (5C). ويعزز الكبس الإضافي لتجميعات القطب/الألومنيوم قدرة الأقطاب على العمل عند معدلات مختلفة بصورة ملحوظة. وعند معدل 5C، لوحظ احتفاظ ملحوظ بالسعة بين 80% و90% للأقطاب ذات الأوزان في النطاق 3–17mg/cm²، التي تحتوي تركيبتها على Teflon®، والمحضرة بعد معالجة مخاليط مكوناتها بالموجات فوق الصوتية والمكبوسة تحت ضغط 2 tonnes/cm².
وخلاصة القول، أظهرت الأقطاب التي تحتوي تركيبتها على 1 wt% Teflon®، والتي خضعت مخاليط مكوناتها للمعالجة بالموجات فوق الصوتية وكُبست عند 2 tonnes/cm2 وكانت أوزانها في النطاق 2.7–17 mg/cm2، قدرة ملحوظة على العمل عند معدلات مختلفة. وحتى عند التيار العالي البالغ 5C، تراوحت سعة التفريغ المُطبَّعة بين 80% و90% لجميع هذه الأقطاب. (راجع Vidal et al., 2013)

أجهزة تشتيت عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية لإنتاج البطاريات

تصمم Hielscher Ultrasonics وتصنع وتوزع معدات عالية القدرة وعالية الأداء بالموجات فوق الصوتية، تُستخدم لمعالجة مواد الكاثود والأنود والإلكتروليت لاستخدامها في بطاريات أيونات الليثيوم (LIB) وبطاريات أيونات الصوديوم (NIB) وخلايا البطاريات الأخرى. وتُستخدم أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher لتخليق المركبات النانوية، والتعديل الوظيفي للجسيمات النانوية، وتشتيت المواد النانوية في معلقات متجانسة ومستقرة.
تقدم Hielscher مجموعة من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية تمتد من النطاق المخبري إلى النطاق الصناعي الكامل، وهي الشركة الرائدة في السوق في مجال أجهزة التشتيت عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية. وبفضل عملها لأكثر من 30 عامًا في مجال تخليق المواد النانوية وتقليل الأحجام، تمتلك Hielscher Ultrasonics خبرة واسعة في معالجة الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية، وتقدم أقوى أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وأكثرها موثوقية في السوق. وتوفر الهندسة الألمانية أحدث التقنيات وجودة متينة.
تجعل التقنيات المتقدمة والأداء العالي والبرمجيات المتطورة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher معدات موثوقة للعمل المكثف في عملية تصنيع الأقطاب لديك. وتُصنع جميع أنظمة الموجات فوق الصوتية في المقر الرئيسي في Teltow، ألمانيا، وتُختبر من حيث الجودة والمتانة، ثم تُوزع من ألمانيا إلى جميع أنحاء العالم.
صُممت المكونات المادية المتطورة والبرمجيات الذكية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لضمان التشغيل الموثوق والنتائج القابلة لإعادة الإنتاج وسهولة الاستخدام. وتتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بالمتانة وثبات الأداء، مما يتيح تركيبها في بيئات متطلبة وتشغيلها في ظروف العمل الشاق. ويمكن الوصول إلى إعدادات التشغيل وضبطها بسهولة عبر قائمة سهلة الاستخدام، يمكن الوصول إليها من خلال شاشة لمس رقمية ملونة والتحكم عن بُعد عبر المتصفح. ولذلك تُسجل جميع ظروف المعالجة، مثل الطاقة الصافية والطاقة الإجمالية والسعة والوقت والضغط ودرجة الحرارة، تلقائيًا على بطاقة SD مدمجة. ويتيح لك ذلك مراجعة دورات المعالجة السابقة بالموجات فوق الصوتية ومقارنتها، وتحسين تخليق المواد النانوية والمركبات وتعديلها وظيفيًا وتشتيتها للوصول إلى أعلى كفاءة.
تُستخدم أنظمة Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم للتخليق الكيميائي الصوتي للمواد النانوية، وقد ثبتت موثوقيتها في تشتيت الجسيمات النانوية في معلقات غروية مستقرة. ويمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher العمل باستمرار بسعات عالية، وهي مصممة للتشغيل 24/7. ويمكن بسهولة توليد سعات تصل إلى 200µm بصورة مستمرة باستخدام سونوترودات قياسية (مسابير / أبواق الموجات فوق الصوتية). وللسعات الأعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة بالموجات فوق الصوتية.
أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للتخليق الكيميائي الصوتي والتعديل الوظيفي وتشكيل البنى النانوية وتفكيك التكتلات مركبة بالفعل على نطاق تجاري في جميع أنحاء العالم. تواصل معنا الآن لمناقشة خطوة المعالجة التي تتضمن مواد نانوية لتصنيع البطاريات لديك! ويسعد فريقنا ذو الخبرة الواسعة مشاركة مزيد من المعلومات حول نتائج التشتيت الفائقة وأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء والأسعار!
بفضل مزايا المعالجة بالموجات فوق الصوتية، سيتفوق إنتاجك المتقدم للأقطاب والإلكتروليتات من حيث الكفاءة والبساطة وانخفاض التكلفة مقارنةً بمصنّعي الأقطاب الآخرين!

يمنحك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا: