Sonohemijska sinteza elektrodnih materijala za proizvodnju baterija

U proizvodnji visokoučinkovitih baterijskih ćelija nanostrukturirani materijali i nanokompoziti imaju važnu ulogu jer osiguravaju vrhunsku električnu provodljivost, veću gustoću pohrane, visok kapacitet i pouzdanost. Da bi se postigla puna funkcionalnost nanomaterijala, nanočestice moraju biti pojedinačno dispergirane ili eksfolirane i mogu zahtijevati dodatne korake obrade, kao što je funkcionalizacija. Ultrazvučna nanoobrada je superiorna, djelotvorna i pouzdana tehnika za proizvodnju visokoučinkovitih nanomaterijala i nanokompozita za naprednu proizvodnju baterija.

Ultrazvučna disperzija elektrohemijski aktivnih materijala u suspenzijama za elektrode

Nanomaterijali se koriste kao inovativni elektrodni materijali, što je rezultiralo znatno poboljšanim performansama punjivih baterija. Prevladavanje aglomeracije, agregacije i odvajanja faza ključno je za pripremu suspenzija za proizvodnju elektroda, posebno kada su uključeni materijali nanometarskih dimenzija. Nanomaterijali povećavaju aktivnu površinu elektroda baterija, što im omogućava da apsorbiraju više energije tokom ciklusa punjenja i da povećaju svoj ukupni kapacitet pohrane energije. Da bi se postigla potpuna korist od nanomaterijala, ove nanostrukturirane čestice moraju se razmrsiti i rasporediti kao zasebne čestice u suspenziji za elektrode. Tehnologija ultrazvučne disperzije pruža fokusirane sile visokog smicanja (sonomehaničke) kao i sonohemijsku energiju, što dovodi do miješanja i kompleksiranja nanomaterijala na atomskom nivou.
Nanočestice poput grafena, ugljičnih nanocijevi (CNT), metala i minerala rijetkih zemalja moraju biti ravnomjerno dispergirane u stabilnu suspenziju kako bi se dobili visokofunkcionalni elektrodni materijali.
Na primjer, poznato je da grafen i CNT poboljšavaju performanse baterijskih ćelija, ali se mora prevladati aglomeracija čestica. To znači da je apsolutno potrebna visokoučinkovita tehnika disperzije, sposobna obraditi nanomaterijale i moguće visoke viskoznosti. Ultrazvučni uređaji sa sondom visokoučinkovita su metoda disperzije koja može pouzdano i djelotvorno obraditi nanomaterijale čak i pri visokom udjelu čvrstih materija.

Zašto je ultrazvučna obrada superiorna tehnika za obradu nanomaterijala?

Kada drugi postupci disperzije i miješanja, poput mješalica visokog smicanja, kugličnih mlinova ili homogenizatora visokog pritiska, dođu do svojih granica, ultrazvučna obrada je metoda koja se ističe u obradi mikronskih i nanočestica.
Ultrazvuk velike snage i ultrazvukom generisana akustična kavitacija pružaju jedinstvene energetske uslove i izuzetnu gustoću energije koji omogućavaju deaglomeraciju ili eksfolijaciju nanomaterijala, njihovu funkcionalizaciju, sintezu nanostruktura u procesima odozdo prema gore i pripremu visokoučinkovitih nanokompozita.
Budući da Hielscher ultrazvučni uređaji omogućavaju preciznu kontrolu najvažnijih parametara ultrazvučne obrade, kao što su intenzitet (Ws/mL), amplituda (µm), temperatura (ºC/ºF) i pritisak (bar), uslovi obrade mogu se pojedinačno podesiti na optimalne postavke za svaki materijal i proces. Stoga su ultrazvučni disperzeri vrlo svestrani i mogu se koristiti u brojnim primjenama, npr. za disperziju CNT-a, eksfolijaciju grafena, sonohemijsku sintezu čestica tipa jezgra-ljuska ili funkcionalizaciju nanočestica silicija.

SEM mikrografije sonohemijski pripremljenog Na0.44MnO2 kalcinacijom na 900°C tokom 2 h.
(Studija i slika: ©Shinde et al., 2019)

Saznajte više o Hielscher industrijskim ultrazvučnim uređajima za obradu nanomaterijala u proizvodnji baterija!

U nastavku možete pronaći različite ultrazvukom pokretane primjene obrade nanomaterijala:

Ultrazvučna sinteza nanokompozita

Ultrazvučna sinteza grafen–SnO₂ nanokompozita: Istraživački tim Deosakar et al. (2013) razvio je ultrazvukom potpomognut postupak za pripremu nanokompozita grafen–SnO2. Istražili su kavitacijske efekte koje stvara ultrazvuk velike snage tokom sinteze kompozita grafen–SnO2. Za ultrazvučnu obradu koristili su uređaj Hielscher Ultrasonics. Rezultati pokazuju ultrazvukom poboljšano fino i ravnomjerno nanošenje SnO₂ na grafenske nanolistove putem reakcije oksidacije–redukcije između grafen-oksida i SnCl₂·2H₂O u poređenju s konvencionalnim metodama sinteze.

Dijagram koji prikazuje proces nastanka grafen-oksida i SnO₂–grafen nanokompozita.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafen nanokompozit uspješno je pripremljen novim i efikasnim hemijskim sintetskim putem u otopini potpomognutim ultrazvukom, a grafen-oksid je redukovan pomoću SnCl₂ do grafenskih listova u prisustvu HCl. TEM analiza pokazuje ravnomjerno i fino nanošenje SnO₂ na grafenske nanolistove. Pokazalo se da kavitacijski efekti nastali primjenom ultrazvučnog zračenja intenziviraju fino i ravnomjerno nanošenje SnO2 na grafenske nanolistove tokom reakcije oksidacije–redukcije između grafen-oksida i SnCl₂·2H₂O. Intenzivirano fino i ravnomjerno nanošenje nanočestica SnO2 (3–5 nm) na redukovane grafenske nanolistove pripisuje se pojačanoj nukleaciji i prijenosu otopljene tvari uslijed kavitacijskog efekta izazvanog ultrazvučnim zračenjem. Fino i ravnomjerno nanošenje nanočestica SnO₂ na grafenske nanolistove potvrđeno je i TEM analizom. Demonstrirana je primjena sintetisanog nanokompozita SnO₂–grafen kao anodnog materijala u litijum-ionskim baterijama. Kapacitet litijske baterije na bazi nanokompozita SnO₂–grafen stabilan je tokom oko 120 ciklusa, a baterija je mogla ponavljati stabilnu reakciju punjenja–pražnjenja. (Deosakar et al., 2013)

TEM snimak nanokompozita SnO₂–grafen pripremljenog sonohemijskom metodom. Mjerna crta označava: (A) 10nm , (B) 5nm.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvučna disperzija nanočestica u suspenzijama za baterije

Disperzija komponenti elektrode: Waser et al. (2011) pripremili su elektrode s litijum-željezo-fosfatom (LiFePO₄). Suspenzija je sadržavala LiFePO4 kao aktivni materijal, čađ kao električno provodljivi aditiv, a kao vezivo je korišten polivinilidenfluorid otopljen u N-metilpirolidinonu (NMP). Maseni omjer (nakon sušenja) AM/CB/PVDF u elektrodama iznosio je 83/8,5/8,5. Za pripremu suspenzija sve komponente elektrode miješane su u NMP-u ultrazvučnom miješalicom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) tokom 2 min pri 200 W i 24 kHz.
Niska električna provodljivost i spora difuzija Li-iona duž jednodimenzionalnih kanala LiFePO₄ mogu se prevladati ugradnjom LiFePO₄ u provodljivu matricu, npr. čađ. Budući da nanočestice i strukture čestica tipa jezgra-ljuska poboljšavaju električnu provodljivost, tehnologija ultrazvučne disperzije i sonohemijska sinteza čestica tipa jezgra-ljuska omogućavaju proizvodnju vrhunskih nanokompozita za primjene u baterijama.

Disperzija litijum-željezo-fosfata: Istraživački tim Hagberga (Hagberg et al., 2018) koristio je ultrazvučni uređaj UP100H za postupak izrade strukturne pozitivne elektrode koja se sastoji od ugljičnih vlakana presvučenih litijum-željezo-fosfatom (LFP). Ugljična vlakna su kontinuirani, samonosivi snopovi koji djeluju kao strujni kolektori i osiguravat će mehaničku krutost i čvrstoću. Za optimalne performanse vlakna se presvlače pojedinačno, npr. elektroforetskim taloženjem.
Testirani su različiti maseni omjeri smjesa koje se sastoje od LFP-a, CB-a i PVDF-a. Ove smjese nanesene su na ugljična vlakna. Budući da se zbog nehomogene raspodjele u kupki za presvlačenje sastavi mogu razlikovati od sastava u samom premazu, za smanjenje te razlike koristi se intenzivno miješanje ultrazvučnom obradom.
Primijetili su da su čestice relativno dobro dispergirane kroz cijeli premaz, što se pripisuje upotrebi surfaktanta (Triton X-100) i koraku ultrazvučne obrade prije elektroforetskog taloženja.

Poprečni presjek i SEM snimci velikog povećanja ugljičnih vlakana presvučenih EPD-om. Smjesa LFP-a, CB-a i PVDF-a ultrazvučno je homogenizirana pomoću ultrazvučnog uređaja UP100H. Povećanja: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studija i slika: ©Hagberg et al., 2018)

Disperzija LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozitnog katodnog materijala:
Vidal et al. (2013) istražili su utjecaj koraka obrade, poput ultrazvučne obrade, pritiska i sastava materijala, za LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozitne katode.
Pozitivne kompozitne elektrode sa spinelom LiNi_0.5 Mn_1.5O4 kao aktivnim materijalom, mješavinom grafita i čađi za povećanje električne provodljivosti elektrode te bilo polivinilidenfluoridom (PVDF) bilo mješavinom PVDF-a s malom količinom Teflon® (1 wt%) za izgradnju elektrode. Obrađene su livenjem trake (tape casting) na aluminijskoj foliji kao strujnom kolektoru primjenom tehnike doktor-noža (doctor blade). Dodatno, mješavine komponenti su ili ultrazvučno obrađene ili nisu, a obrađene elektrode su naknadnim hladnim prešanjem ili zbijene ili nisu. Testirane su dvije formulacije:
Formulacija A (bez Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% čađi; 2,5 wt% grafita; 12 wt% PVDF-a
Formulacija B (s Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% čađi; 2,5 wt% grafita; 11 wt% PVDF-a; 1 wt% Teflon®
U oba slučaja komponente su pomiješane i dispergirane u N-metilpirolidinonu (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) zajedno s ostalim komponentama u navedenim, već unaprijed određenim postocima dispergiran je u 11 ml NMP-a. U nekim konkretnim slučajevima smjesa je ultrazvučno obrađivana 25 min, a zatim miješana na sobnoj temperaturi 48 h. U nekim drugim smjesa je samo miješana na sobnoj temperaturi 48 h, tj. bez ikakve ultrazvučne obrade. Ultrazvučna obrada potiče homogenu disperziju komponenti elektrode, a dobivena LNMS-elektroda izgleda ujednačenije.
Kompozitne elektrode velike mase, do 17mg/cm2, pripremljene su i proučavane kao pozitivne elektrode za litijum-ionske baterije. Dodavanje Teflon® i primjena ultrazvučne obrade dovode do ujednačenih elektroda koje dobro prianjaju na aluminijsku foliju. Oba parametra doprinose poboljšanju kapaciteta pražnjenja pri visokim brzinama (5C). Dodatno zbijanje sklopova elektroda/aluminij znatno poboljšava brzinske sposobnosti elektroda. Pri brzini 5C nalaze se izvanredna zadržavanja kapaciteta između 80% i 90% za elektrode mase u rasponu 3-17mg/cm², koje u svojoj formulaciji imaju Teflon®, pripremljene nakon ultrazvučne obrade smjesa svojih komponenti i zbijene pod 2 tone/cm².
Ukratko, elektrode koje u formulaciji imaju 1 wt% Teflon®, čije su smjese komponenti podvrgnute ultrazvučnoj obradi, zbijene pod 2 tone/cm2 i mase u rasponu 2,7-17 mg/cm2 pokazale su izvanrednu brzinsku sposobnost. Čak i pri visokoj struji od 5C, normalizirani kapacitet pražnjenja iznosio je između 80% i 90% za sve ove elektrode. (usp. Vidal et al., 2013)

Visokoučinkoviti ultrazvučni disperzeri za proizvodnju baterija

Hielscher Ultrasonics projektira, proizvodi i distribuira ultrazvučnu opremu velike snage i visokih performansi, koja se koristi za obradu katodnih, anodnih i elektrolitskih materijala za upotrebu u litijum-ionskim baterijama (LIB), natrijum-ionskim baterijama (NIB) i drugim baterijskim ćelijama. Hielscher ultrazvučni sistemi koriste se za sintezu nanokompozita, funkcionalizaciju nanočestica i disperziju nanomaterijala u homogene, stabilne suspenzije.
Sa portfeljem ultrazvučnih procesora od laboratorijske do potpuno industrijske skale, Hielscher je tržišni lider za visokoučinkovite ultrazvučne disperzere. Radeći više od 30 godina u području sinteze nanomaterijala i smanjenja veličine čestica, Hielscher Ultrasonics ima opsežno iskustvo u ultrazvučnoj obradi nanočestica i nudi najsnažnije i najpouzdanije ultrazvučne procesore na tržištu. Njemačko inženjerstvo osigurava najsavremeniju tehnologiju i robustan kvalitet.
Napredna tehnologija, visoke performanse i sofisticiran softver pretvaraju Hielscher ultrazvučne uređaje u pouzdane radne konje u vašem procesu proizvodnje elektroda. Svi ultrazvučni sistemi proizvode se u sjedištu u Teltowu, Njemačka, testiraju se na kvalitet i robustnost te se zatim distribuiraju iz Njemačke širom svijeta.
Sofisticiran hardver i pametni softver Hielscher ultrazvučnih uređaja dizajnirani su da jamče pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost korištenja. Hielscher ultrazvučni uređaji su robusni i konzistentnih performansi, što omogućava njihovu ugradnju u zahtjevna okruženja i rad u uslovima teškog opterećenja. Radnim postavkama može se lako pristupiti i podešavati ih putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog ekrana osjetljivog na dodir u boji i daljinskog upravljanja preko pretraživača. Stoga se svi uslovi obrade, kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da pregledate i uporedite prethodne cikluse ultrazvučne obrade te da optimizirate sintezu, funkcionalizaciju i disperziju nanomaterijala i kompozita do najviše efikasnosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi koriste se širom svijeta za sonohemijsku sintezu nanomaterijala i dokazano su pouzdani za disperziju nanočestica u stabilne koloidne suspenzije. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu kontinuirano raditi pri visokim amplitudama i izrađeni su za rad 24/7. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generisati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / horn). Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijsku sintezu, funkcionalizaciju, nanostrukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta u komercijalnoj skali. Kontaktirajte nas odmah kako bismo razgovarali o vašem koraku procesa koji uključuje nanomaterijale za proizvodnju baterija! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o vrhunskim rezultatima disperzije, visokoučinkovitim ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Uz prednost ultrazvučne obrade, vaša napredna proizvodnja elektroda i elektrolita isticat će se efikasnošću, jednostavnošću i niskim troškovima u poređenju s drugim proizvođačima elektroda!

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: