Sonochemical Synthesis of Electrode Materials for Battery Production

U proizvodnji ćelija baterija visokih performansi, nanostrukturiran materijal i nanokompoziti igraju važnu ulogu pružajući superiornu električnu provodljivost, više denzitete skladištenja, veliki kapacitet i pouzdanost. Da bi se došle do potpunih funkcionalnosti nanomaterijala, nano-čestice moraju biti pojedinačno raspršene ili eksfoliirane i možda će trebati daljnje korake obrade kao što je funkcionalnost. Ultrazvučna nano-obrada je superiorna, učinljiva i pouzdana tehnika za proizvodnju nanomaterijala visokih performansi i nanokompozeta za naprednu proizvodnju baterija.

Ultrazvučna disperzija elektrohemijski aktivnih materijala u elektrodnim slurries

Nanomaterijali se koriste kao inovativni elektrodni materijali, što je rezultiralo značajno poboljšanim performansama baterija koje se mogu puniti. Prelaženje aglomeracije, agregacije i odvajanja faza je od presudnog značaja za pripremu mulja za proizvodnju elektroda, posebno kada su uključeni materijali veličine nanoa. Nanomaterijali povećavaju aktivnu površinu elektroda baterija, što im omogućava da apsorbuju više energije tokom ciklusa punjenja i da povećaju njihov ukupni kapacitet skladištenja energije. Da bi se dobila potpuna prednost nanomaterijala, ove nano-strukturne čestice moraju biti de-entangle i distribuiraju se kao zasebne čestice u elektrodnom muljanju. Ultrazvučna tehnologija raspršivanja pruža fokusirane visoko smična (sonomehnička) sile kao i sonohemijsku energiju, što dovodi do miješanja atomskog nivoa i složenosti materijala veličine nanoa.
Nano-čestice kao što su grafen, ugljikove nanocijeve (CNT), metali, i rijetki zemaljski minerali moraju se uniformno raspršiti u stabilnu muljariju kako bi se dobili visoko funkcionalni elektrodni materijali.
Na primjer, grafen i CNT su dobro poznati da poboljšaju performanse ćelija baterije, ali aglomeracija čestica mora biti prevaziđena. To znači, tehnika raspršivanja visokih performansi, sposobna za obradu nanomaterijala i možda visoke viskoznosti, apsolutno je potrebna. Ultrasonikatori tipa sonde su metoda raspršivanja visokih performansi, koja može obraditi nanomateriale čak i pri visokim čvrstim teretima pouzdano i učvršćeno.

Zašto je Sonication superiorna tehnika za nanomaterial obradu?

Kada druge tehnike raspršivanja i miješanja kao što su visoko-smicni mikseri, mlinovi za perle ili homogenizatori visokog tlaka dođu do svojih granica, ultrasonication je metoda koja se istupa za mikron- i nano-čestice obrade.
Ultrazvuk velike snage i ultrazvučno generirana akustična kavitacija pružaju jedinstvene energetske uslove i ekstremnu energetsku gustinu koja omogućava deagglomerate ili eksfoliate nanomaterials, da ih funkcionalizira, sintetizira nanostrukturu u procesima od dna prema gore, i da pripremi nanokompozite visokih performansi.
Pošto Hielscherovi ultrasonikatori omogućavaju preciznu kontrolu najvažnijih ultrazvučnih parametara obrade kao što su intenzivnost (Ws/mL), amplituda (μm), temperatura (ºC/ºF) i pritisak (bar), uslovi obrade mogu biti pojedinačno podešeni na optimalne postavke za svaki materijal i proces. Prema tome, ultrazvučni raspršivači su vrlo svestrani i mogu se koristiti za brojne primjene npr., CNT disperziju, eksfoliaciju grafena, sonohemsku sintezu čestica jezgre ljuske ili funkcionalizaciju silicijumskih nanočestica.

SEM mikrografi sonohemijski pripremljeni Na0.44MnO2 po kalcinaciji na 900°C za 2 h.
(Studija i slika: ©Shinde et al., 2019)

Saznajte više o Hielscher industrijskim ultrasonikatorima za nanomaterijalnu obradu u proizvodnji baterija!

U nastavku možete pronaći razne ultrazvučno pogonjene aplikacije nanomaterijala obrade:

Ultrazvučna sinteza nanokompozita

Ultrazvučna sinteza grafena–SnO₂ nanokompomit : Istraživački tim Deosakar et al. (2013) razvio je ultrazvučno asistiranu rutu za pripremu nanokompozita graphene–SnO2. Istraživali su kavitacione efekte koje je proizveo ultrazvuk velike snage tokom sinteze graphene-SnO2 kompozita. Za sonication, koristili su Hielscher Ultrasonics uređaj. Rezultati pokazuju ultrazvučno poboljšano fino i uniformno utovar SNO₂ na grafenim nanošetama oksidacijsko-redukcijskom reakcijom između grafenog oksida i SnCl₂· 2H₂O u odnosu na konvencionalne metode sinteze.

Grafikon koji pokazuje proces formiranja grafena oksida i SnO₂- Grafen nanokompozit.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-grafen nanokompozit je uspješno pripremljen kroz roman i efektan ultrazvuk asistiran putem hemijske sinteze na bazi otopine, a grafenov oksid je smanjen SnCl-om₂ da grafene plahte u prisustvu HCl TEM analize pokazuje uniformu i fino utovar SnO₂ u grafenim nanošetama. Pokazalo se da kavitacioni efekti proizvedeni zbog upotrebe ultrazvučnih ozračivanja intenzivira fino i u uniformno učitavanje SnO2 na grafenski nanošeti tokom oksidaciono-redukcione reakcije između grafenog oksida i SnCl-a.₂· 2H₂O. Pojačano fino i u uniformno utovar SnO2 nanočestica (3–5 nm) na smanjenim grafenim nanošetama pripisuje se pojačanom prijenosu nukleacije i rastvarača zbog kavitacionog efekta izazvanog ultrazvučnim ozračenjima. Fino i uniformno utovar SNO₂ nanočestice na grafenim nanošetama također su potvrđene iz TEM analize. Primjena sintetiziranog SNO-a₂-grafen nanokompozit kao anodni materijal u litij-ionim baterijama se pokazuje. Kapacitet SNO-a₂-grafenova nanokompozitna li-baterija je stabilna za oko 120 ciklusa, a baterija bi mogla ponoviti stabilnu reakciju punjenja i pražnjenja. (Deosakar et al., 2013)

TEM slika SnO₂-grafen nano-kompozit pripremljen sonohemijskim metodom. Bar označava na (A) 10nm , na (B) na 5nm.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvučno raspršivanje nanočestica u baterijske slurries

Raspršivanje elektrodnih komponenti: Waser et al. (2011) pripremljene elektrode s litij željezovim fosfatom (LiFePO₄). Mulja je sadržavala LiFePO4 kao aktivni materijal, ugljik crni kao električni provodljivi dodatak, poliviniliden fluor rastvoren u N-metilpiralidinu (NMP) je korišten kao povezač. Omjer mase (nakon sušenja) AM/CB/PVDF u elektrodama je bio 83/8.5/8.5. Da bi se pripremile suspenzije, svi elektrodni sastavnici su bili pomiješani u NMP sa ultrazvučnim stisom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min na 200 W i 24 kHz.
Niska električna provodljivost i spora Li-ion difuzija duž jednodimenzionalnih kanala LiFePO-a₄ može se prevladati uloživanje LiFePO-a₄ u provodljivoj matrici, npr. Kako čestice nano veličine i jezgraste čestice poboljšavaju električnu provodljivost, ultrazvučna disperzija tehnologija i sonohemijski sinteza čestica jezgre ljuske omogućavaju proizvodnju superiornih nanokompozita za aplikacije baterija.

Disperzija litij željezovog fosfata: Istraživački tim Hagberga (Hagberg et al., 2018. ultrasonicator UP100H za postupak strukturno pozitivne elektrode koja se sastoji od litij željezovog fosfata (LFP) premazanih karbonskih vlakana. Karbonska vlakna su kontinuirane, samostajati šlepovi koji djeluju kao trenutni kolektori i pružat će mehaničku ukočenost i snagu. Za optimalne performanse vlakna su premazana pojedinačno, npr. pomoću elektroforetičkog taloženja.
Testirani su različiti omjeri težine smjesa koje se sastoji od LFP, CB i PVDF. Ove smjese su bile premazane na karbonska vlakna. Budući da se nehomogena distribucija u sastavima premaza za kupanje može razlikovati od kompozicije u samom premazu, rigorozno miješanje ultrasonikacijom se koristi za minimizaciju razlike.
Oni su zapazili da su čestice relativno dobro raspršene po cijelom premaz koji se pripisuje upotrebi surfaktanta (Triton X-100) i koraku ultrasonikacije prije elektroforetičkog taloženje.

Presjek i visoko uvećanje SEM slike EPD presvučenih karbonskih vlakana. Mješavina LFP, CB i PVDF ultrazvučno je homogenizirana pomoću ultrasonicator UP100H. Uvećanja: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studija i slika: ©Hagberg et al., 2018)

Raspršivanje LiNija_0.5G_1,5The₄ kompotibilni katodni materijal :
Vidal et al. (2013) istraživao je uticaj koraka obrade kao što su sonication, pritisak i sastav materijala za LiNi_0.5G_1,5The₄kompozita katoda.
Pozitivne kompozite elektroda koje imaju LiNi_0.5 G_1,5O4 kičma kao aktivni materijal, spoj grafita i ugljika crne za povećanje elektrode električne provodljivosti i ili polivinildenefluorida (PVDF) ili spoj PVDF sa malom količinom Teflona® (1 wt%) za izgradnju elektrode. Oni su obrađeni kasetom livom na aluminijsku foliju kao trenutni kolekcionar koristeći tehniku sečiva doktora. Osim toga, komponentne spojnice su bile ili sonicirane ili ne, a obrađene elektrode su bile zbijene ili ne pod naknadnom hladnom presokom. Testirane su dvije formulacije:
A-Formulacija (bez Teflona®): 78 wt% LiNi_0.5 G_1,5O4; 7.5 wt% Carbon black; 2.5 wt% Graphite; 12 wt% PVDF
B-Formulacija (sa Teflonom®): 78wt% LiNi0_0.5G_1,5O4; 7.5wt% Carbon black; 2.5 wt% Graphite; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
U oba slučaja, komponente su bile pomiješane i raspršene u N-metilpiralidinu (NMP). LiNi_0.5 G_1,5O4 kralježnica (2g) zajedno sa ostalim komponentama u pomenutim procentima već postavljena je raspršena u 11 ml NMP. U nekim konkretnim slučajevima, smjesa je bila soničena 25 min, a zatim miješana na sočnoj temperaturi 48 h. Kod nekih drugih, smjesa je upravo promešana na sonoj temperaturi 48 h, dakle bez ikakvog sonikacije. Tretman sonikacije promiče homogenu disperciju elektrodnih komponenti i dobijena LNMS-elektroda izgleda više uočljivo.
Kompozite elektrode visoke težine, do 17mg/cm2, bile su pripremljene i proučavane kao pozitivne elektrode za litij-ione baterije. Dodatak Teflona® i primjena tretmana sonikacije vode u uniformnim elektrodama koje se dobro pridržavaju aluminijske folije. Oba parametara doprinose poboljšanju kapaciteta isušenog po visokim stopama (5C). Dodatno sažimanje elektroda/aluminijskih omeđenja izvanredno pojačava mogućnost elektrode. Pri brzini od 5C, za elektrode sa težinama u rasponu 3-17mg/cm se pronađu izuzetne retencije kapaciteta između 80% i 90%.², imajući Teflona® u svojoj formulaciji, pripremljene nakon sonikacije njihovih komponentnih spojevi i zbijene ispod 2 tone/cm².
U sažeku, elektrode koje imaju 1 wt% Teflona® u svojoj formulaciji, njihove komponentne spojeve podvrgnute tretmanu sonikacije, sažimane sa 2 tone/cm2 i sa težinama u rasponu 2,7-17 mg/cm2 pokazale su izuzetnu sposobnost stope. Čak i pri visokoj struji od 5C, normalizovani kapacitet pražnjenja je bio između 80% i 90% za sve ove elektrode. (cf. Vidal et al., 2013)

Ultrazvučni disperzeri visokih performansi za proizvodnju baterija

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučnu opremu visokih performansi, koja se koristi za obradu katodnih, anodnih i elektrolitnih materijala za upotrebu u litij-ionim baterijama (LIB), natrij-ionim baterijama (NIB) i drugim ćelijama baterija. Hielscherovi ultrazvučni sistemi se koriste sintetiziraju nanokompozite, funkcionaliziraju nanočestice i raspršu nanomaterijale u homogene, stabilne suspenzije.
Nudeći portfolio od laboratorije do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher je tržišni lider za ultrazvučne raspršivače visokih performansi. Radeći od više od 30 godina u oblasti nanomaterijalne sinteze i smanjenja veličine, Hielscher Ultrasonics ima obimno iskustvo u ultrazvučnoj obradi nanočesnika i nudi najmoćnije i najpouzdanije ultrazvučne procesore na tržištu. Njemački inženjering pruža vrhunsku tehnologiju i robustan kvalitet.
Napredna tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver pretvaraju Hielscher ultrasonicatore u pouzdane konje u vašem procesu proizvodnje elektroda. Svi ultrazvučni sistemi proizvedeni su u zaglavlju u Teltowu u Njemačkoj, testirani na kvalitetu i robusnost, a zatim se distribuiraju iz Njemačke širom svijeta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasonicatora dizajnirani su da garantuju pouzdan rad, reprodukljive ishode kao i korisnik-prijateljnost. Hielscherovi ultrazvučnici su robusni i dosljedni u performansama, što im omogućava da ih ugrade u zahtjevna okruženja i da ih upravljaju pod teškim uvjetima dužnosti. Operativnim postavkama se može lako pristupiti i birate putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog touch-display ekrana u boji i daljinskog upravljača preglednika. Stoga se svi uslovi obrade kao što su neto energija, totalna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura automatski snimaju na ugrađenoj SD-kartici. To vam omogućava da revidiraš i uporediš prethodne sonication runove i da optimiziraš sintezu, funkcionalnost, i disperziju nanomaterijala i kompozita sa najviše efikasnosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom svijeta za sonohemijsku sintezu nanomaterijala i dokazano je da su pouzdani za raspršivanje nanočestica u stabilne koloidna ovjesa. Hielscher industrijski ultrasonikatori mogu kontinuirano pokrenuti visoke amplitude i izgrađeni su za 24/7 rad. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano generirati standardnim sonotrodama (ultrazvučnim sondama / rogovima). Za još više amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Hielscherovi ultrazvučni procesori za sonohemijsku sintezu, funkcionalizaciju, nano-strukturiranje i deagglomeration već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas sada kako bi razgovarali o vašem koraku procesa koji uključuje nanomateriale za proizvodnju baterija! Našem dobro iskusnom osoblju bit će drago podijeliti više informacija o superiornim rezultatima disperzive, ultrazvučnim sustavima visokih performansi i ucjenjujućim!
Uz prednost ultrasonication, vaša napredna proizvodnja elektroda i elektrolita će se iskoriti u efikasnosti, jednostavnosti i niskim troškovima kada se u odnosu na druge proizvođače elektroda!

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: