Сонохимичен синтез на електродни материали за производство на батерии

При производството на високоефективни батерийни клетки наноструктурираните материали и нанокомпозитите играят важна роля, като осигуряват превъзходна електропроводимост, по-висока плътност на съхранение на енергия, висок капацитет и надеждност. За да се използват всички функционални възможности на наноматериалите, наночастиците трябва да бъдат индивидуално диспергирани или ексфолирани и може да се нуждаят от допълнителни етапи на обработка, като функционализация. Ултразвуковата нанообработка е превъзходна, ефективна и надеждна техника за производство на високоефективни наноматериали и нанокомпозити за усъвършенствано производство на батерии.

Ултразвуково диспергиране на електрохимично активни материали в електродни суспензии

Наноматериалите се използват като иновативни електродни материали, което доведе до значително подобряване на експлоатационните характеристики на акумулаторните батерии. Преодоляването на агломерацията, агрегацията и фазовото разделяне е от решаващо значение за приготвянето на суспензии за производство на електроди, особено когато се използват материали с наноразмери. Наноматериалите увеличават активната повърхност на електродите на батериите, което им позволява да поемат повече енергия по време на циклите на зареждане и да увеличат общия си капацитет за съхранение на енергия. За да се използват напълно предимствата на наноматериалите, тези наноструктурирани частици трябва да бъдат разплетени и разпределени като отделни частици в електродната суспензия. Технологията за ултразвуково диспергиране осигурява фокусирани сили на интензивно срязване (сономеханични сили), както и сонохимична енергия, което води до смесване на атомно ниво и комплексообразуване на материали с наноразмери.
Наночастици като графен, въглеродни нанотръби (CNTs), метали и редкоземни минерали трябва да бъдат равномерно диспергирани в стабилна суспензия, за да се получат електродни материали с висока функционалност.
Например добре известно е, че графенът и CNTs подобряват експлоатационните характеристики на батерийните клетки, но агломерацията на частиците трябва да бъде преодоляна. Това означава, че е абсолютно необходима високоефективна техника за диспергиране, способна да обработва наноматериали, включително евентуално при висок вискозитет. Ултразвуковите устройства със сонда представляват високоефективен метод за диспергиране, който може надеждно и ефективно да обработва наноматериали дори при високо съдържание на твърди вещества.

Защо ултразвуковата обработка е превъзходната техника за обработка на наноматериали?

Когато други техники за диспергиране и смесване, като смесители с интензивно срязване, мелници с микросфери или хомогенизатори с високо налягане, достигнат пределите си, ултразвуковата обработка е методът, който се откроява при обработката на микро- и наночастици.
Мощният ултразвук и генерираната от него акустична кавитация осигуряват уникални енергийни условия и изключително висока енергийна плътност, която позволява деагломериране или ексфолиране на наноматериали, тяхната функционализация, синтез на наноструктури чрез процеси на изграждане отдолу нагоре и приготвяне на високоефективни нанокомпозити.
Тъй като ултразвуковите устройства Hielscher позволяват прецизно управление на най-важните параметри на ултразвуковата обработка, като интензитет (Ws/mL), амплитуда (µm), температура (ºC/ºF) и налягане (bar), условията на обработка могат да бъдат индивидуално настроени до оптималните стойности за всеки материал и процес. По този начин ултразвуковите диспергатори са изключително универсални и могат да се използват за множество приложения, например диспергиране на CNT, ексфолиране на графен, сонохимичен синтез на частици със структура ядро–обвивка или функционализация на силициеви наночастици.

SEM микроснимки на Na0.44MnO2, получен по сонохимичен път чрез калциниране при 900°C за 2 h.
(Изследване и изображение: ©Shinde et al., 2019)

Научете повече за промишлените ултразвукови устройства Hielscher за обработка на наноматериали при производството на батерии!

По-долу можете да намерите различни приложения на ултразвука при обработката на наноматериали:

Ултразвуков синтез на нанокомпозити

Ултразвуков синтез на нанокомпозит графен–SnO₂ : Изследователският екип на Deosakar et al. (2013) разработи метод с помощта на ултразвук за приготвяне на нанокомпозит графен–SnO2. Те изследваха кавитационните ефекти, генерирани от мощен ултразвук по време на синтеза на композита графен–SnO2. За ултразвуковата обработка използваха устройство на Hielscher Ultrasonics. Резултатите показват подобрено чрез ултразвук фино и равномерно нанасяне на SnO₂ върху графенови нанолистове чрез окислително-редукционна реакция между графенов оксид и SnCl₂·2H₂O в сравнение с конвенционалните методи за синтез.

Схема, показваща процеса на образуване на графенов оксид и нанокомпозит SnO₂–графен.
(Изследване и изображения: ©Deosakar et al., 2013)

Нанокомпозитът SnO₂–графен е успешно получен чрез нов и ефективен метод за химичен синтез в разтвор с помощта на ултразвук, а графеновият оксид е редуциран със SnCl₂ до графенови листове в присъствието на HCl. TEM анализът показва равномерното и фино нанасяне на SnO₂ в графенови нанолистове. Доказано е, че кавитационните ефекти, възникващи при използването на ултразвуково облъчване, усилват финото и равномерно нанасяне на SnO2 върху графенови нанолистове по време на окислително-редукционната реакция между графенов оксид и SnCl₂·2H₂O. Усиленото фино и равномерно нанасяне на наночастици SnO2 (3–5 nm) върху редуцирани графенови нанолистове се дължи на подобреното зародишообразуване и преноса на разтвореното вещество вследствие на кавитационния ефект, предизвикан от ултразвуковото облъчване. Финото и равномерно нанасяне на наночастици от SnO₂ върху графенови нанолистове е потвърдено и чрез TEM анализ. Демонстрирано е приложението на синтезирания нанокомпозит SnO₂–графен като аноден материал в литиево-йонни батерии. Капацитетът на литиевата батерия на основата на нанокомпозита SnO₂–графен е стабилен за около 120 цикъла, а батерията може да повтаря стабилна реакция на зареждане–разреждане. (Deosakar et al., 2013)

TEM изображение на нанокомпозит SnO₂–графен, приготвен по сонохимичен метод. Мащабната линия обозначава 10nm при (A) и 5nm при (B).
(Изследване и изображения: ©Deosakar et al., 2013)

Ултразвуково диспергиране на наночастици в суспензии за батерии

Диспергиране на електродни компоненти: Waser et al. (2011) приготвиха електроди с литиево-железен фосфат (LiFePO₄). Суспензията съдържаше LiFePO4 като активен материал и технически въглерод като електропроводима добавка, а поливинилиденфлуорид, разтворен в N-метилпиролидинон (NMP), беше използван като свързващо вещество. Масовото съотношение (след изсушаване) на AM/CB/PVDF в електродите беше 83/8,5/8,5. За приготвяне на суспензиите всички електродни съставки бяха смесени в NMP с ултразвукова бъркалка (UP200H, Hielscher Ultrasonics) за 2 min при 200 W и 24 kHz.
Ниската електропроводимост и бавната дифузия на литиеви йони по едномерните канали на LiFePO₄ могат да бъдат преодолени чрез включване на LiFePO₄ в проводима матрица, например технически въглерод. Тъй като частиците с наноразмери и частиците със структура ядро–обвивка подобряват електропроводимостта, технологията за ултразвуково диспергиране и сонохимичният синтез на частици със структура ядро–обвивка позволяват производството на превъзходни нанокомпозити за приложения в батерии.

Диспергиране на литиево-железен фосфат: Изследователският екип на Hagberg (Hagberg et al., 2018) използва ултразвуковото устройство UP100H за приготвянето на структурен положителен електрод, състоящ се от въглеродни влакна, покрити с литиево-железен фосфат (LFP). Въглеродните влакна са непрекъснати, самостоятелно поддържащи се снопове, които действат като токоснематели и осигуряват механична коравина и якост. За оптимални експлоатационни характеристики влакната се покриват индивидуално, например чрез електрофоретично отлагане.
Изпитани са различни масови съотношения на смеси, състоящи се от LFP, CB и PVDF. Тези смеси са нанесени върху въглеродни влакна. Тъй като поради нехомогенното разпределение съставът на ваната за нанасяне на покритие може да се различава от състава на самото покритие, за свеждане на разликата до минимум се използва интензивно разбъркване чрез ултразвукова обработка.
Те отбелязват, че частиците са сравнително добре диспергирани в цялото покритие, което се дължи на използването на повърхностноактивно вещество (Triton X-100) и на етапа на ултразвукова обработка преди електрофоретичното отлагане.

Изображения на напречното сечение и SEM изображения при голямо увеличение на въглеродни влакна с покритие, нанесено чрез EPD. Сместа от LFP, CB и PVDF е хомогенизирана ултразвуково с помощта на ултразвуковото устройство UP100H. Увеличения: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Изследване и изображение: ©Hagberg et al., 2018)

Диспергиране на LiNi_0.5Mn_1.5O₄ като композитен катоден материал:
Vidal et al. (2013) изследваха влиянието на етапи на обработка, като ултразвукова обработка, налягане и състав на материала, върху композитни катоди от LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Положителните композитни електроди съдържат шпинел LiNi_0.5 Mn_1.5O4 като активен материал, смес от графит и технически въглерод за увеличаване на електропроводимостта на електрода и поливинилиденфлуорид (PVDF) или смес от PVDF с малко количество Teflon® (1 wt%) за изграждане на електрода. Те са изработени чрез лентово отливане върху алуминиево фолио като токоснемател с използване на техниката с нанасящ нож. Освен това смесите от компоненти са подложени или не са подложени на ултразвукова обработка, а изработените електроди са уплътнени или не са уплътнени чрез последващо студено пресоване. Изпитани са два състава:
Състав A (без Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% технически въглерод; 2,5 wt% графит; 12 wt% PVDF
Състав B (с Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% технически въглерод; 2,5 wt% графит; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
И в двата случая компонентите са смесени и диспергирани в N-метилпиролидинон (NMP). Шпинелът LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), заедно с останалите компоненти в посочените, предварително определени процентни съотношения, е диспергиран в 11 ml NMP. В някои конкретни случаи сместа е подложена на ултразвукова обработка за 25 min и след това е разбърквана при стайна температура за 48 h. В други случаи сместа е само разбърквана при стайна температура за 48 h, т.е. без ултразвукова обработка. Ултразвуковата обработка подпомага хомогенното диспергиране на електродните компоненти и полученият LNMS електрод изглежда по-равномерен.
Композитни електроди с голямо тегло, до 17mg/cm2, са приготвени и изследвани като положителни електроди за литиево-йонни батерии. Добавянето на Teflon® и прилагането на ултразвукова обработка водят до равномерни електроди, които са добре прилепнали към алуминиевото фолио. И двата параметъра допринасят за подобряване на отдавания капацитет при високи скорости на разряд (5C). Допълнителното уплътняване на съединените електроди и алуминиево фолио значително подобрява възможностите на електродите за работа при високи скорости на разряд. При скорост на разряд 5C се наблюдава забележително запазване на капацитета между 80% и 90% при електроди с тегло в диапазона 3–17mg/cm², които съдържат Teflon® в състава си, приготвени са след ултразвукова обработка на смесите от техните компоненти и са уплътнени при 2 tonnes/cm².
В обобщение, електроди, съдържащи 1 wt% Teflon® в състава си, чиито смеси от компоненти са подложени на ултразвукова обработка и които са уплътнени при 2 tonnes/cm2 и имат тегло в диапазона 2,7–17 mg/cm2, показват забележителна способност за работа при високи скорости на разряд. Дори при високия ток 5C нормализираният разряден капацитет е между 80% и 90% за всички тези електроди. (вж. Vidal et al., 2013)

Високоефективни ултразвукови диспергатори за производство на батерии

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява мощно, високоефективно ултразвуково оборудване, което се използва за обработка на катодни, анодни и електролитни материали за литиево-йонни батерии (LIB), натриево-йонни батерии (NIB) и други батерийни клетки. Ултразвуковите системи Hielscher се използват за синтез на нанокомпозити, функционализация на наночастици и диспергиране на наноматериали в хомогенни, стабилни суспензии.
Предлагайки гама от ултразвукови процесори от лабораторен до изцяло промишлен мащаб, Hielscher е пазарният лидер при високоефективните ултразвукови диспергатори. С повече от 30 години работа в областта на синтеза на наноматериали и намаляването на размера на частиците, Hielscher Ultrasonics има богат опит в ултразвуковата обработка на наночастици и предлага най-мощните и най-надеждните ултразвукови процесори на пазара. Германското инженерство осигурява най-съвременни технологии и устойчиво качество.
Усъвършенстваните технологии, високата производителност и усъвършенстваният софтуер превръщат ултразвуковите устройства Hielscher в надеждни работни машини във вашия процес на производство на електроди. Всички ултразвукови системи се произвеждат в централата в Телтов, Германия, изпитват се за качество и устойчивост и след това се разпространяват от Германия по целия свят.
Усъвършенстваният хардуер и интелигентният софтуер на ултразвуковите устройства Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за потребителя. Ултразвуковите устройства Hielscher са здрави и поддържат постоянни експлоатационни характеристики, което позволява инсталирането им във взискателни среди и използването им при тежки работни условия. Работните настройки са лесно достъпни и могат да бъдат задавани чрез интуитивно меню, достъпно през цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление чрез браузър. По този начин всички условия на обработка, като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура, се записват автоматично на вградена SD карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оптимизирате синтеза, функционализацията и диспергирането на наноматериали и композити за постигане на най-висока ефективност.
Системите на Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят за сонохимичен синтез на наноматериали и са доказали надеждността си при диспергирането на наночастици в стабилни колоидни суспензии. Промишлените ултразвукови устройства Hielscher могат да работят непрекъснато при високи амплитуди и са конструирани за работа 24/7. Амплитуди до 200µm могат лесно да бъдат генерирани непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рогове). За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди по индивидуална поръчка.
Ултразвуковите процесори Hielscher за сонохимичен синтез, функционализация, наноструктуриране и деагломерация вече са инсталирани в търговски мащаб по целия свят. Свържете се с нас сега, за да обсъдим етапа от вашия процес, включващ наноматериали за производство на батерии! Нашият персонал с богат опит с удоволствие ще сподели повече информация за превъзходните резултати от диспергирането, високоефективните ултразвукови системи и цените!
Благодарение на предимството на ултразвуковата обработка вашето усъвършенствано производство на електроди и електролити ще се отличава с ефективност, простота и ниски разходи в сравнение с други производители на електроди!

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства: