التوليف الكيميائي لمواد القطب لإنتاج البطاريات

في إنتاج خلايا البطارية عالية الأداء ، تلعب المواد ذات البنية النانوية والمركبات النانوية دورا مهما في توفير الموصلية الكهربائية الفائقة وكثافات التخزين العالية والقدرة العالية والموثوقية. من أجل تحقيق الوظائف الكاملة للمواد النانوية ، يجب تشتيت الجسيمات النانوية أو تقشيرها بشكل فردي وقد تحتاج إلى مزيد من خطوات المعالجة مثل الوظائف. معالجة النانو بالموجات فوق الصوتية هي تقنية متفوقة وفعالة وموثوقة لإنتاج مواد نانوية عالية الأداء ومركبات نانوية لإنتاج بطاريات متقدمة.

التشتت بالموجات فوق الصوتية للمواد النشطة كهروكيميائيا في ملاط القطب

تستخدم المواد النانوية كمواد أقطاب كهربائية مبتكرة ، مما أدى إلى تحسين أداء البطاريات القابلة لإعادة الشحن بشكل كبير. يعد التغلب على التكتل والتجميع وفصل الطور أمرا بالغ الأهمية لإعداد الملاط لتصنيع الأقطاب الكهربائية ، خاصة عندما يتعلق الأمر بمواد بحجم النانو. تزيد المواد النانوية من مساحة السطح النشطة لأقطاب البطارية ، مما يسمح لها بامتصاص المزيد من الطاقة أثناء دورات الشحن وزيادة قدرتها الإجمالية على تخزين الطاقة. من أجل الحصول على الاستفادة الكاملة من المواد النانوية ، يجب أن تكون هذه الجسيمات ذات البنية النانوية غير متشابكة وتوزع كجزيئات منفصلة في ملاط القطب. توفر تقنية التشتيت بالموجات فوق الصوتية قوى مركزة عالية القص (sonomechnical) بالإضافة إلى الطاقة الكيميائية الصوتية ، مما يؤدي إلى خلط المستوى الذري وتعقيد المواد ذات الحجم النانوي.
يجب تشتيت الجسيمات النانوية مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) والمعادن والمعادن الأرضية النادرة بشكل موحد في ملاط مستقر من أجل الحصول على مواد قطب كهربائي وظيفية للغاية.
على سبيل المثال ، من المعروف أن الجرافين و CNTs يعززان أداء خلايا البطارية ، ولكن يجب التغلب على تكتل الجسيمات. وهذا يعني أن تقنية التشتت عالية الأداء ، القادرة على معالجة المواد النانوية وربما اللزوجة العالية ، مطلوبة تماما. الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار هي طريقة تشتيت عالية الأداء ، والتي يمكنها معالجة المواد النانوية حتى في الأحمال الصلبة العالية بشكل موثوق وفعال.

لماذا تعتبر Sonication تقنية متفوقة لمعالجة المواد النانوية؟

عندما تأتي تقنيات التشتيت والخلط الأخرى مثل خلاطات القص العالية أو مطاحن الخرز أو المجانسات عالية الضغط إلى حدودها ، فإن الموجات فوق الصوتية هي الطريقة التي تبرز لمعالجة جزيئات الميكرون والنانو.
توفر الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة والتجويف الصوتي المتولد بالموجات فوق الصوتية ظروف طاقة فريدة وكثافة طاقة قصوى تسمح بإزالة تكتل أو تقشير المواد النانوية ، وتشغيلها ، وتوليف الهياكل النانوية في عمليات من أسفل إلى أعلى ، وإعداد مركبات نانوية عالية الأداء.
منذ الموجات فوق الصوتية Hielscher تسمح بالتحكم الدقيق في أهم معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية مثل الكثافة (Ws / mL) ، السعة (ميكرومتر) ، درجة الحرارة (ºC / ºF) والضغط (بار) ، يمكن ضبط ظروف المعالجة بشكل فردي على الإعدادات المثلى لكل مادة وعملية. وبالتالي ، فإن المشتتات بالموجات فوق الصوتية متعددة الاستخدامات ويمكن استخدامها للعديد من التطبيقات ، على سبيل المثال ، تشتت CNT ، تقشير الجرافين ، التوليف الكيميائي لجزيئات القشرة الأساسية أو تشغيل جسيمات السيليكون النانوية.

الصور المجهرية SEM للتحضير بالموجات فوق الصوتية Na0.44MnO2 عن طريق التكليس عند 900 درجة مئوية لمدة ساعتين.
(دراسة وصورة: ©شيندي وآخرون ، 2019)

معرفة المزيد عن الموجات فوق الصوتية الصناعية Hielscher لمعالجة المواد النانوية في تصنيع البطاريات!

أدناه يمكنك العثور على العديد من التطبيقات التي تعمل بالموجات فوق الصوتية لمعالجة المواد النانوية:

التوليف بالموجات فوق الصوتية للمركبات النانوية

التوليف بالموجات فوق الصوتية من الجرافين - SnO₂ مركب نانوي: طور فريق البحث في Deosakar et al. (2013) طريقا بمساعدة الموجات فوق الصوتية لإعداد مركب نانوي من الجرافين - SnO2. قاموا بالتحقيق في تأثيرات التجويف الناتجة عن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة أثناء تخليق مركب الجرافين-SnO2. لصوتنة ، استخدموا جهاز الموجات فوق الصوتية Hielscher. تظهر النتائج تحميلا دقيقا وموحدا محسنا بالموجات فوق الصوتية ل SnO₂ على صفائح الجرافين النانوية عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال بين أكسيد الجرافين و SnCl₂·2H₂O مقارنة بطرق التوليف التقليدية.

رسم بياني يوضح عملية تكوين أكسيد الجرافين و SnO₂-مركب الجرافين النانوي.
(دراسة وصور: ©ديوساكار وآخرون ، 2013)

سنو₂-تم تحضير مركب الجرافين النانوي بنجاح من خلال مسار تخليق كيميائي جديد وفعال قائم على المحاليل بمساعدة الموجات فوق الصوتية وتم تقليل أكسيد الجرافين بواسطة SnCl₂ إلى صفائح الجرافين في وجود حمض الهيدروكلوريك. يظهر تحليل TEM التحميل الموحد والدقيق ل SnO₂ في صفائح الجرافين النانوية. وقد تبين أن تأثيرات التجويف الناتجة عن استخدام التشعيع بالموجات فوق الصوتية تكثف التحميل الدقيق والمنتظم ل SnO2 على صفائح الجرافين النانوية أثناء تفاعل الأكسدة والاختزال بين أكسيد الجرافين و SnCl₂·2H₂O. يعزى التحميل الدقيق والمنتظم المكثف لجسيمات SnO2 النانوية (3-5 نانومتر) على صفائح الجرافين النانوية المختزلة إلى تعزيز النوى ونقل المذاب بسبب تأثير التجويف الناجم عن الإشعاعات فوق الصوتية. تحميل جيد وموحد ل SnO₂ كما تم تأكيد الجسيمات النانوية على صفائح الجرافين النانوية من تحليل TEM. تطبيق توليف SnO₂-تم إثبات مركب الجرافين النانوي كمادة أنود في بطاريات أيونات الليثيوم. قدرة سنو₂-بطارية ليثيوم القائمة على مركب الجرافين النانوي مستقرة لحوالي 120 دورة ، ويمكن للبطارية تكرار تفاعل الشحن والتفريغ المستقر. (ديوساكار وآخرون ، 2013)

صورة TEM ل SnO₂-مركب نانو من الجرافين محضر بطريقة سونوكيميائية. يشير الشريط إلى (A) 10 نانومتر ، عند (B) عند 5 نانومتر.
(دراسة وصور: ©ديوساكار وآخرون ، 2013)

تشتت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية في ملاط البطارية

تشتت مكونات الإلكترود: Waser et al. (2011) أعد أقطاب كهربائية بفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄). احتوى الملاط على LiFePO4 كمادة فعالة ، وأسود الكربون كمادة مضافة موصلة للكهرباء ، وتم استخدام فلوريد البولي فينيليدين المذاب في N-methylpyrrolidinone (NMP) كمادة رابطة. كانت نسبة الكتلة (بعد التجفيف) ل AM / CB / PVDF في الأقطاب الكهربائية 83 / 8.5 / 8.5. لتحضير المعلقات ، تم خلط جميع مكونات القطب في NMP مع محرك بالموجات فوق الصوتية (UP200H ، Hielscher الموجات فوق الصوتية) لمدة 2 دقيقة عند 200 واط و 24 كيلو هرتز.
الموصلية الكهربائية المنخفضة وانتشار Li-ion البطيء على طول القنوات أحادية البعد ل LiFePO₄ يمكن التغلب عليها عن طريق تضمين LiFePO₄ في مصفوفة موصلة ، على سبيل المثال أسود الكربون. نظرا لأن الجسيمات ذات الحجم النانوي وهياكل الجسيمات الأساسية تعمل على تحسين التوصيل الكهربائي ، فإن تقنية التشتت بالموجات فوق الصوتية والتوليف الكيميائي لجزيئات القشرة الأساسية تسمح بإنتاج مركبات نانوية فائقة لتطبيقات البطاريات.

تشتت فوسفات الحديد الليثيوم: استخدم فريق البحث في Hagberg (Hagberg et al. ، 2018) الموجات فوق الصوتية UP100H لإجراء القطب الموجب الهيكلي الذي يتكون من ألياف الكربون المطلية بفوسفات الحديد الليثيوم (LFP). ألياف الكربون عبارة عن سحب مستمر قائم بذاته يعمل كمجمعات حالية وستوفر صلابة وقوة ميكانيكية. للحصول على الأداء الأمثل ، يتم طلاء الألياف بشكل فردي ، على سبيل المثال باستخدام الترسيب الكهربائي.
تم اختبار نسب وزن مختلفة من المخاليط المكونة من LFP و CB و PVDF. كانت هذه المخاليط مغلفة بألياف الكربون. نظرا لأن التوزيع غير المتجانس في تركيبات حمام الطلاء قد يختلف عن التركيبة الموجودة في الطلاء نفسه ، يتم استخدام التحريك الصارم بواسطة الموجات فوق الصوتية لتقليل الفرق.
وأشاروا إلى أن الجسيمات منتشرة بشكل جيد نسبيا في جميع أنحاء الطلاء الذي يعزى إلى استخدام الفاعل بالسطح (Triton X-100) وخطوة الموجات فوق الصوتية قبل الترسيب الكهربائي.

صور المقطع العرضي والتكبير العالي SEM لألياف الكربون المطلية ب EPD. تم تجانس خليط LFP و CB و PVDF بالموجات فوق الصوتية باستخدام الموجات فوق الصوتية UP100H. التكبير: أ) 0.8kx ، ب) 0.8kx ، ج) 1.5kx ، د) 30kx.
(دراسة وصورة: ©هاغبرغ وآخرون ، 2018)

تشتت ليني_0.5مليون_1.5O₄ مادة الكاثود المركبة:
Vidal et al. (2013) التحقيق في تأثير خطوات المعالجة مثل الصوتنة والضغط وتكوين المواد ل LiNi_0.5مليون_1.5O₄الكاثودات المركبة.
أقطاب كهربائية مركبة موجبة تحتوي على LiNi_0.5 مليون_1.5O4 الإسبنيل كمادة فعالة ، مزيج من الجرافيت وأسود الكربون لزيادة التوصيل الكهربائي للقطب وإما بولي فينيل دينفلوريد (PVDF) أو مزيج من PVDF مع كمية صغيرة من تفلون® (1 بالوزن٪) لبناء القطب. تمت معالجتها عن طريق صب الشريط على رقائق الألومنيوم كمجمع حالي باستخدام تقنية شفرة الطبيب. بالإضافة إلى ذلك ، كانت خلطات المكونات إما صوتنة أم لا ، وتم ضغط الأقطاب الكهربائية المعالجة أو لا تحت الضغط البارد اللاحق. تم اختبار صيغتين:
تركيبة A (بدون تفلون®): 78 وزن٪ LiNi_0.5 مليون_1.5س 4 ؛ 7.5٪ بالوزن٪ أسود الكربون ؛ 2.5 بالوزن٪ جرافيت ؛ 12 وزن٪ PVDF
تركيبة ب (مع تفلون®): 78 وزن٪ LiNi0_0.5مليون_1.5س 4 ؛ 7.5 وزن٪ أسود الكربون ؛ 2.5 بالوزن٪ جرافيت ؛ 11٪ بالوزن٪ PVDF ؛ 1 بالوزن٪ تفلون®
في كلتا الحالتين ، تم خلط المكونات وتشتيتها في N-methylpyrrolidinone (NMP). ليني_0.5 مليون_1.5تم تشتيت الإسبنيل O4 (2 جم) مع المكونات الأخرى في النسب المئوية المذكورة بالفعل في 11 مل من NMP. في بعض الحالات الخاصة ، تم صوتنة الخليط لمدة 25 دقيقة ثم قلبه في درجة حرارة الغرفة لمدة 48 ساعة. في بعض الأنواع الأخرى ، تم تحريك الخليط في درجة حرارة الغرفة لمدة 48 ساعة ، أي بدون أي صوتنة. يعزز علاج الصوتنة تشتتا متجانسا لمكونات القطب الكهربائي ويبدو قطب LNMS-الكهربائي الذي تم الحصول عليه أكثر اتساقا.
تم تحضير أقطاب كهربائية مركبة ذات وزن مرتفع ، حتى 17 مجم / سم 2 ، ودراستها كأقطاب موجبة لبطاريات الليثيوم أيون. تؤدي إضافة التفلون® وتطبيق علاج الصوتنة إلى أقطاب كهربائية موحدة ملتصقة جيدا برقائق الألومنيوم. تساهم كلتا المعلمتين في تحسين السعة المستنزفة بمعدلات عالية (5 درجة مئوية). يعزز الضغط الإضافي لتجميعات القطب / الألومنيوم بشكل ملحوظ قدرات معدل القطب. عند معدل 5 درجات مئوية ، تم العثور على احتفاظ ملحوظ بالسعة بين 80٪ و 90٪ للأقطاب الكهربائية ذات الأوزان في النطاق 3-17 مجم / سم²، مع وجود تفلون® في تركيبتها ، محضرة بعد صوتنة خلطات مكوناتها وضغطها تحت 2 طن / سم².
باختصار ، أظهرت الأقطاب الكهربائية التي تحتوي على 1٪ من التفلون® بالوزن في تركيبتها ، وخلطات مكوناتها الخاضعة لمعالجة صوتنة ، مضغوطة عند 2 طن / سم 2 وبأوزان في النطاق 2.7-17 مجم / سم 2 قدرة معدل ملحوظة. حتى في التيار العالي البالغ 5 درجات مئوية ، كانت قدرة التفريغ الطبيعية بين 80٪ و 90٪ لجميع هذه الأقطاب الكهربائية. (راجع فيدال وآخرون ، 2013)

مشتتات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج البطارية

Hielscher Ultrasonics تصميمات، تصنيع وتوزيع عالية الطاقة، ومعدات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء، والذي يستخدم لمعالجة الكاثود، الأنود، والمواد المنحل بالكهرباء لاستخدامها في بطاريات ليثيوم أيون (LIB)، بطاريات الصوديوم أيون (NIB)، وخلايا البطارية الأخرى. وتستخدم أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher توليف nanocomposites، وظيفية الجسيمات النانوية، وتفريق المواد النانوية في تعليق متجانسة ومستقرة.
تقدم محفظة من المختبر إلى معالجات الموجات فوق الصوتية على نطاق صناعي بالكامل، Hielscher هي الشركة الرائدة في السوق لمشتتات الموجات فوق الصوتية عالية الأداء. تعمل منذ أكثر من 30 عاما في مجال تخليق المواد النانوية وتقليل الحجم ، تتمتع Hielscher Ultrasonics بخبرة واسعة في معالجة الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية وتقدم أقوى معالجات الموجات فوق الصوتية وأكثرها موثوقية في السوق. توفر الهندسة الألمانية أحدث التقنيات والجودة القوية.
التكنولوجيا المتقدمة، عالية الأداء والبرمجيات المتطورة تحويل الموجات فوق الصوتية Hielscher إلى خيول عمل موثوق بها في عملية تصنيع القطب الخاص بك. يتم تصنيع جميع أنظمة الموجات فوق الصوتية في المقر الرئيسي في Teltow ، ألمانيا ، واختبارها للجودة والمتانة ثم يتم توزيعها من ألمانيا في جميع أنحاء العالم.
تم تصميم الأجهزة المتطورة والبرامج الذكية من الموجات فوق الصوتية Hielscher لضمان عملية موثوقة، والنتائج القابلة للتكرار، فضلا عن سهولة الاستخدام. الموجات فوق الصوتية Hielscher قوية ومتسقة في الأداء، مما يسمح لتثبيتها في البيئات الصعبة وتشغيلها في ظل ظروف الخدمة الشاقة. يمكن الوصول إلى إعدادات التشغيل والاتصال بها بسهولة عبر قائمة بديهية ، والتي يمكن الوصول إليها عبر شاشة رقمية ملونة تعمل باللمس وجهاز تحكم عن بعد في المتصفح. لذلك ، يتم تسجيل جميع ظروف المعالجة مثل الطاقة الصافية والطاقة الإجمالية والسعة والوقت والضغط ودرجة الحرارة تلقائيا على بطاقة SD مدمجة. يتيح لك ذلك مراجعة ومقارنة عمليات تشغيل الصوتنة السابقة وتحسين التوليف والتشغيل والتشتت للمواد النانوية والمركبات إلى أعلى كفاءة.
تستخدم أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher في جميع أنحاء العالم للتوليف الكيميائي للمواد النانوية وثبت أنها موثوقة لتشتت الجسيمات النانوية في معلقات غروانية مستقرة. Hielscher الموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن تشغيل باستمرار السعات العالية وبنيت لعملية 24/7. يمكن بسهولة توليد سعات تصل إلى 200 ميكرومتر بشكل مستمر باستخدام sonotrodes القياسية (مجسات / قرون بالموجات فوق الصوتية). للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة.
يتم بالفعل تثبيت المعالجات بالموجات فوق الصوتية Hielscher للتوليف سونوكيميائي، وظيفية، نانو هيكلة وإزالة التكتل في جميع أنحاء العالم على نطاق تجاري. اتصل بنا الآن لمناقشة خطوة العملية الخاصة بك التي تنطوي على المواد النانوية لتصنيع البطاريات! سيسعد موظفونا ذوو الخبرة الجيدة بمشاركة المزيد من المعلومات حول نتائج التشتت الفائقة وأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء والأسعار!
مع الاستفادة من الموجات فوق الصوتية ، سوف يتفوق إنتاج القطب الكهربائي والكهارل المتقدم في الكفاءة والبساطة والتكلفة المنخفضة عند مقارنته بمصنعي الأقطاب الكهربائية الآخرين!

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا: