При производството на високопроизводителни акумулаторни клетки наноструктурираните материали и нанокомпозитите играят важна роля, осигуряваща превъзходна електрическа проводимост, по-високи плътности на съхранение, голям капацитет и надеждност. За да се получат пълни функционалности на наноматериалите, нано-частиците трябва да бъдат индивидуално диспергирани или ексфолирани и може да се нуждаят от допълнителни стъпки за обработка като функционализация. Ултразвуковата нано-обработка е превъзходната, ефикасна и надеждна техника за производство на високопроизводителни наноматериали и нанокомпозити за разширено производство на батерии.

Ултразвукова дисперсия на електрохимично активни материали в електрод шлам

Наноматериалите се използват като иновативни електродни материали, което е довело до значително засилена производителност на акумулаторните батерии. Преодоляването на агломерацията, агрегацията и разделянето на фазата е от решаващо значение за приготвянето на течен тор за производство на електроди, особено когато участват наноразмерни материали. Наноматериалите увеличават активната повърхност на електродите на батерията, което им позволява да абсорбират повече енергия по време на циклите на зареждане и да увеличат общия си капацитет за съхранение на енергия. За да се получи пълното предимство на наноматериалите, тези наноструктурирани частици трябва да бъдат де-заплитания и да се разпределят като отделни частици в електродния течен тор. Ултразвуковата разпръскване технология осигурява фокусирани високосрязък (сономехнически) сили, както и сонохимична енергия, което води до атомно ниво смесване и комплексиране на наноразмерни материали.
Нано-частици като графен, въглеродни нанотръби (CNTs), метали, и редки земни минерали трябва да бъдат равномерно разпръснати в стабилен шлам, за да се получат високо функционални електрод материали.
Например графенът и CNTs са добре известни за повишаване на производителността на клетките на батерията, но агломерацията на частиците трябва да бъде преодоляна. Това означава, високопроизводителна дисперсионна техника, способна да обработва наноматериали и евентуално високи вискозитети, е абсолютно необходима. Ultrasonicators тип сонда са високопроизводителният разпръскващ метод, който може да обработва наноматериали дори при високи твърди натоварвания надеждно и ефикасно.

Защо Sonication е Превъзходната техника за наноматериална обработка?

Когато други техники за разпръсване и смесване като смесители с високо срязване, мелници за топчета или хомогенизатори с високо налягане стигнат до техните граници, ултразвукът е методът, който се откроява за микрон- и нано-частици обработка.
Ултразвукът с висока мощност и ултразвуково генерираната акустична кавитация осигуряват уникални енергийни условия и изключителна енергийна плътност, която позволява да се деагломерират или ексфолират наноматериали, да ги функционализират, синтезират наноструктурите в процесите отдолу нагоре и да подготвят високопроизводителни нанокомпозити.
Тъй като ultrasonicators Hielscher позволяват прецизния контрол на най-важните ултразвукови параметри за обработка като интензивност (Ws / mL), амплитуда (μm), температура (ºC / ºF) и налягане (бар), условията на обработка могат да бъдат индивидуално настроени към оптимални настройки за всеки материал и процес. По този начин ултразвуковите диспергатори са силно универсални и могат да се използват за множество приложения например, CNT дисперсия, ексфолиране на графен, сонохимичен синтез на частици от основната обвивка или функционализация на силициеви наночастици.

SEM микрографи на сонохимично приготвени Na0.44MnO2 чрез калциниране при 900°C за 2 ч.
(Проучване и картина: ©Shinde et al., 2019)

Научете повече за hielscher промишлени ultrasonicators за наноматериална обработка в производството на батерии!

По-долу можете да намерите различни ултразвуково задвижвани приложения на наноматериална обработка:

Ултразвуков синтез на нанокомпозити

Ултразвуков синтез на графен–SnO₂ нанокомпозит: Изследователският екип на Deosakar et al. (2013) разработи ултразвуково подпомаган маршрут за подготовка на графен-SnO2 нанокомпозит. Те изследваха кавитационното въздействие, генерирано от ултразвук с висока мощност по време на синтеза на графен-SnO2 композит. За ултразвук са използвали устройство hielscher Ultrasonics. Резултатите демонстрират ултразвуково подобрено фино и еднакво натоварване на SnO₂ върху графенови нано листове чрез окисляване–редукция реакция между графен оксид и SnCl₂· 2H₂O в сравнение с конвенционалните методи за синтез.

Диаграма, демонстрираща процеса на образуване на графенов оксид и SnO₂–графенов нанокомпозит.
(Проучване и снимки: ©Deosakar et al., 2013)

Сно₂–графеновият нанокомпозит е успешно приготвен чрез роман и ефективен ултразвуков подпомаган химичен синтезен маршрут и графен оксид е намален от SnCl₂ към графенови листове в присъствието на HCl. TEM анализ показва еднаквото и фино натоварване на SnO₂ в графенови нано листове. Кавитационните ефекти, произведени поради използването на ултразвукови облъчления, са показали, че засилват финото и еднакво натоварване на SnO2 върху графеновите наноши по време на окисляване–редукционна реакция между графен оксид и SnCl₂· 2H₂O. Засиленото фино и еднакво натоварване на наночастиците SnO2 (3–5 nm) върху намалените графенови наношалети се приписва на засиленото ядро и прехвърлянето на solute поради кавитационно действие, предизвикано от ултразвукови облъчления. Фино и еднакво натоварване на SnO₂ наночастици върху графенови нано листове също е потвърдена от TEM анализа. Прилагането на синтезиран SnO₂–демонстрира се графенов нанокомпозит като аноден материал в литиево-йонни батерии. Капацитетът на SnO₂–графеновата нанокомпозитна основа Li-батерия е стабилна за около 120 цикъла, а батерията би могла да повтори стабилна реакция на зареждане–разреждане. (Деосакар и др., 2013)

TEM изображение на SnO₂–графен нано-композитен, приготвен по сонохимичен метод. Бар показва на (A) 10nm , при (B) при 5nm.
(Проучване и снимки: ©Deosakar et al., 2013)

Ултразвукова дисперсия на наночастици в акумулаторни тори

Дисперсия на избирателни компоненти: Waser et al. (2011) приготвени електроди с литиев железен фосфат (LiFePO₄). Торова течност съдържа LiFePO4 като активен материал, въглеродно черно като електропроводима добавка, поливинилиден флуорид, разтворен в N-метилпиролидинон (NMP), е използван като свързващо вещество. Съотношението маса (след изсушаване) на AM/CB/PVDF в електродите е 83/8,5/8,5. За да се подготвят суспензиите, всички електродни съставки бяха смесени в NMP с ултразвукова бъркалка (UP200H, Ултразвук на Hielscher) за 2 мин при 200 W и 24 kHz.
Ниска електрическа проводимост и бавна Li-йонна дифузия по едноизмерните канали на LiFePO₄ могат да бъдат преодолени чрез вграждане на LiFePO₄ в проводима матрица, например въглеродно черно. Тъй като наноразмерните частици и структурите на частиците от ядрото подобряват електрическата проводимост, технологията за ултразвукова дисперсия и сонохимичният синтез на частици от сърцевината на черупката позволяват да се произвеждат превъзходни нанокомпозити за приложения на батерията.

Дисперсия на литиев железен фосфат: Изследователският екип на Hagberg (Hagberg et al., 2018) използва ултразвуков UP100H за процедурата на структурен положителен електрод, състоящ се от литиевожелязофосфатни (LFP) покрити въглеродни влакна. Въглеродните влакна са непрекъснати, самостоящи тегления, действащи като настоящи колектори и ще осигурят механична скованост и здравина. За оптимална производителност влакната са покрити индивидуално, например с помощта на електрофоретично отлагане.
Тествани са различни тегловни съотношения на смеси, състоящи се от LFP, CB и PVDF. Тези смеси бяха покрити върху въглеродни влакна. Тъй като нехомогенното разпределение в композиции баня покритие може да се различава от състава в самото покритие, строго разбъркване чрез ултразвук се използва за минимизиране на разликата.
Те отбелязаха, че частиците са сравнително добре разпръснати в цялото покритие, което се приписва на използването на повърхностноактивно вещество (Triton X-100) и ултразвуковата стъпка преди електрофоретично отлагане.

Напречно сечение и високо увеличение SEM изображения на EPD покрити въглеродни влакна. Сместа от LFP, CB и PVDF е ултразвуково хомогенизирана с помощта на ултразвуков UP100H. Увеличение: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Проучване и картина: ©Hagberg et al., 2018)

Дисперсия на LiNi_00.5Mn_1,5Най-₄ композитен катод материал:
Vidal et al. (2013) разследва влиянието на стъпките за обработка като ултразвук, налягане и материален състав за LiNi_00.5Mn_1,5Най-₄съставни катоди.
Положителни композитни електроди, които имат LiNi_00.5 Mn_1,5O4 спинел като активен материал, смес от графит и въглеродно черно за увеличаване на електродната електрическа проводимост и или поливинилденфлуорид (PVDF) или смес от PVDF с малко количество тефлон® (1 wt%) за изграждане на електрода. Те са били обработени чрез лентово леене върху алуминиево фолио като настоящ колектор с помощта на техниката на острието на лекаря. Освен това, съставните блендове са били или с ултразвук, или не, а обработените електроди са уплътнени или не са били под последващо студено пресоване. Тествани са две формулировки:
А-формулировка (без тефлон®): 78 wt% LiNi_00.5 Mn_1,5O4; 7,5 wt% Въглеродно черно; 2,5 wt% Графит; 12 wt% PVDF
B-формулировка (с тефлон®): 78wt% LiNi0_00.5Mn_1,5O4; 7.5wt% Въглеродно черно; 2,5 wt% Графит; 11 wt% PVDF; 1 wt% тефлон®
И в двата случая компонентите са смесени и дисперсни в N-метилпиролидинон (NMP). ЛиНи_00.5 Mn_1,5O4 spinel (2g) заедно с останалите компоненти в споменатите вече зададени проценти беше разпръснато в 11 ml NMP. В някои особени случаи сместа е ултразвукова за 25 мин и след това се разбърква при стайна температура за 48 ч. При някои други сместа просто се разбъркваше при стайна температура за 48 ч. т.е. без никаква ултразвукова обработка. Лечението с ултразвук насърчава хомогенна дисперсия на електродните компоненти и полученият LNMS-електрод изглежда по-еднообразен.
Композити електроди с високо тегло, до 17mg/cm2, бяха подготвени и проучени като положителни електроди за литиево-йонни батерии. Добавянето на тефлон® и прилагането на лечението с ултразвук водят до единни електроди, които са добре прилепени към алуминиевото фолио. И двата параметъра допринасят за подобряване на капацитета, отцеждан при високи темпове (5С). Допълнителното уплътняване на електрод/алуминиевите сглобки забележително повишава възможностите за скорост на електрода. При скорост 5С се откриват забележителни запори на капацитет между 80% и 90% за електроди с тежести в диапазона 3-17mg/cm², имащи Тефлон® във формулировката си, приготвени след ултразвук на техните съставни блендове и уплътнени под 2 тона/см²,
В обобщение, електродите, имащи 1 wt% тефлон® във формулировката си, техните съставни слива, подложени на обработка с ултразвук, уплътнени на 2 тона/cm2 и с тежести в диапазона 2,7-17 mg/cm2, показват забележителна способност за скорост. Дори при високия ток от 5С нормализираният капацитет за изхвърляне е бил между 80% и 90% за всички тези електроди. (срв. Видал и др., 2013)

Високопроизводителни ултразвукови дисперзиони за производство на батерии

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпределя високомощно, високопроизводително ултразвуково оборудване, което се използва за обработка на катодни, анодни и електролитни материали за използване в литиево-йонни батерии (LIB), натриево-йонни батерии (NIB), и други клетки на батерията. Ултразвуковите системи Hielscher се използват синтезират нанокомпозити, функционализират наночастиците и разпръскват наноматериалите в хомогенни, стабилни суспензии.
Предлагайки портфолио от лаборатория до напълно промишлени мащабни ултразвукови процесори, Hielscher е лидерът на пазара за високопроизводителни ултразвукови диспергатори. Работейки от повече от 30 години в областта на наноматериалния синтез и намаляването на размера, Hielscher Ultrasonics има богат опит в ултразвуковата обработка на наночастици и предлага най-мощните и надеждни ултразвукови процесори на пазара. Германското инженерство осигурява най-съвременна технология и солидна качество.
Усъвършенстваната технология, високопроизводителният и изтънчен софтуер превръщат ultrasonicators Hielscher в надеждни работни коне във вашия процес на производство на електроди. Всички ултразвукови системи са произведени в централата в Телтоу, Германия, тествани за качество и здравина и след това се разпространяват от Германия по целия свят.
Изтънченят хардуер и интелигентният софтуер на ultrasonicators Hielscher са предназначени да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати, както и лесна за ползване. Ultrasonicators Hielscher са здрави и последователни в производителността, което позволява да ги инсталирате в взискателни среди и да ги оперират при тежки условия на мито. Оперативните настройки могат да бъдат лесно достъпни и набрани чрез интуитивно меню, до което може да се стигне чрез цифрово цветно сензорно-дисплейно и дистанционно управление на браузъра. Следователно, всички условия на обработка като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура автоматично се записват на вградена SD-карта. Това ви позволява да ревизирате и сравнявате предишни sonication писти и да оптимизирате синтеза, функционализацията и дисперсията на наноматериалите и композитите с най-висока ефективност.
Hielscher Ultrasonics системи се използват в световен мащаб за сонохимичен синтез на наноматериали и са доказано надеждни за дисперсия на наночастици в стабилни колоидни суспензии. Hielscher промишлени ultrasonicators непрекъснато могат да работят високи амплитуди и са построени за 24 / 7 работа. Амплитуди до 200μm могат лесно непрекъснато да се генерират със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рога). За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотродове.
Hielscher ултразвукови процесори за сонохимичен синтез, функционализация, нано-структуриране и деагломерация вече са инсталирани в световен мащаб в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдят вашия процес стъпка, включваща наноматериали за производство на батерии! Нашият добре опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за превъзходни резултати дисперсия, високопроизводителни ултразвукови системи и ценообразуване!
С предимството на ултразвука, вашето разширено производство на електрод и електролит ще се отличи в ефективността, простотата и ниската цена, когато се сравнява с други производители на електроди!

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: