Sonohemijska sinteza materijala elektroda za proizvodnju baterija

U proizvodnji baterijskih ćelija visokih performansi, nanostrukturirani materijali i nanokompoziti igraju važnu ulogu pružajući superiornu električnu provodljivost, veću gustinu skladištenja, veliki kapacitet i pouzdanost. Da bi se postigle pune funkcionalnosti nanomaterijala, nanočestice moraju biti pojedinačno dispergirane ili oljuštene i možda će trebati daljnji koraci obrade kao što je funkcionalizacija. Ultrazvučna nano-obrada je superiorna, efikasna i pouzdana tehnika za proizvodnju nanomaterijala i nanokompozita visokih performansi za naprednu proizvodnju baterija.

Ultrazvučna disperzija elektrohemijski aktivnih materijala u elektrodnim suspenzijama

Nanomaterijali se koriste kao inovativni materijali za elektrode, što je rezultiralo značajno poboljšanim performansama punjivih baterija. Prevazilaženje aglomeracije, agregacije i razdvajanja faza je ključno za pripremu suspenzije za proizvodnju elektroda, posebno kada se radi o materijalima nano-veličine. Nanomaterijali povećavaju aktivnu površinu akumulatorskih elektroda, što im omogućava da apsorbuju više energije tokom ciklusa punjenja i da povećaju svoj ukupni kapacitet skladištenja energije. Da bi se postigla puna prednost nanomaterijala, ove nano-strukturirane čestice moraju biti raspletene i distribuirane kao zasebne čestice u suspenziji elektrode. Ultrazvučna tehnologija dispergovanja obezbeđuje fokusirane sile visokog smicanja (sonomehaničke) kao i sonohemijsku energiju, što dovodi do mešanja na atomskom nivou i kompleksiranja materijala nano veličine.
Nanočestice kao što su grafen, ugljenične nanocevi (CNT), metali i minerali retkih zemalja moraju biti jednoliko dispergovani u stabilnu suspenziju da bi se dobili visoko funkcionalni materijali za elektrode.
Na primjer, dobro je poznato da grafen i CNT poboljšavaju performanse baterija, ali aglomeracija čestica mora biti prevaziđena. To znači da je tehnika disperzije visokih performansi, sposobna za obradu nanomaterijala i moguće visoke viskoznosti, apsolutno potrebna. Ultrasonikatori tipa sonde su metoda dispergiranja visokih performansi, koja može pouzdano i efikasno obraditi nanomaterijale čak i pri velikim čvrstim opterećenjima.

Zašto je sonikacija vrhunska tehnika za obradu nanomaterijala?

Kada druge tehnike dispergiranja i miješanja, kao što su miješalice s visokim smicanjem, mlinovi za perle ili homogenizatori pod visokim pritiskom, dođu do svojih granica, ultrazvučna metoda je metoda koja se ističe za obradu mikrona i nano-čestica.
Ultrazvuk velike snage i ultrazvučno generirana akustična kavitacija pružaju jedinstvene energetske uvjete i ekstremnu gustoću energije koja omogućava deaglomeraciju ili eksfolijaciju nanomaterijala, njihovu funkcionalizaciju, sintetiziranje nanostruktura u procesima odozdo prema gore i pripremu nanokompozita visokih performansi.
Pošto Hielscher ultrasonikatori 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 individualno podesiti na optimalne postavke za svaki materijal i proces. Zbog toga su ultrazvučni disperzatori vrlo svestrani i mogu se koristiti za brojne primjene kao što su CNT disperzija, eksfolijacija grafena, sonohemijska sinteza čestica ljuske jezgre ili funkcionalizacija silicijumskih nanočestica.

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

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

U nastavku možete pronaći različite ultrazvučno vođene primjene obrade nanomaterijala:

Ultrazvučna sinteza nanokompozita

Ultrazvučna sinteza grafena–SnO₂ nanokompozit: Istraživački tim Deosakara et al. (2013) razvili su ultrazvučno potpomognutu rutu za pripremu nanokompozita grafen-SnO2. Oni su istraživali kavitacijske efekte koje generiše ultrazvuk velike snage tokom sinteze kompozita grafen-SnO2. Za sonikaciju su koristili uređaj Hielscher Ultrasonics. Rezultati pokazuju ultrazvučno poboljšano fino i ujednačeno punjenje SnO₂ na nanolistovima grafena reakcijom oksidacije-redukcije između grafenskog oksida i SnCl₂·2H₂O u poređenju sa konvencionalnim metodama sinteze.

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

SnO₂– nanokompozit grafena je uspješno pripremljen novim i efikasnim putem hemijske sinteze zasnovane na otopini uz pomoć ultrazvuka, a grafen oksid je reduciran pomoću SnCl₂ na grafenske listove u prisustvu HCl. TEM analiza pokazuje ujednačeno i fino opterećenje SnO₂ u nanolistovima grafena. Pokazalo se da kavitacijski efekti koji nastaju upotrebom ultrazvučnog zračenja intenziviraju fino i ravnomjerno punjenje SnO2 na nanoploče grafena tokom oksidaciono-redukcione reakcije između grafenskog oksida i SnCl.₂·2H₂O. Intenzivirano fino i ujednačeno opterećenje nanočestica SnO2 (3-5 nm) na reducirane nanoploče grafena pripisuje se pojačanoj nukleaciji i prijenosu otopljene tvari zbog kavitacijskog efekta izazvanog ultrazvučnim zračenjem. Fino i ravnomerno punjenje SnO₂ nanočestice na grafenskim nanolistovima je takođe potvrđeno iz TEM analize. Primjena sintetiziranog SnO₂– demonstriran je nanokompozit grafena kao anodni materijal u litijum-jonskim baterijama. Kapacitet SnO₂– Li-baterija bazirana na nanokompozitu grafena je stabilna oko 120 ciklusa, a baterija bi mogla ponoviti stabilnu reakciju punjenja-pražnjenja. (Deosakar et al., 2013.)

TEM slika SnO₂–grafenski nanokompozit pripremljen sonohemijskom metodom. Crtica pokazuje na (A) 10nm, na (B) na 5nm.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013.)

Ultrazvučna disperzija nanočestica u suspenziju baterija

Disperzija komponenti elektroda: Waser et al. (2011) pripremili su elektrode s litijum željeznim fosfatom (LiFePO₄). Suspenzija je sadržavala LiFePO4 kao aktivni materijal, čađu kao električno provodljivi aditiv, poliviniliden fluorid otopljen u N-metilpirolidinonu (NMP) korišten je kao vezivo. Maseni odnos (nakon sušenja) AM/CB/PVDF u elektrodama bio je 83/8,5/8,5. Da bi se pripremile suspenzije, svi sastojci elektroda su pomešani u NMP ultrazvučnom mešalicom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min pri 200 W i 24 kHz.
Niska električna provodljivost i spora difuzija Li-iona duž jednodimenzionalnih kanala LiFePO₄ može se prevazići ugradnjom LiFePO₄ u provodljivoj matrici, npr. čađa. Kako čestice nano veličine i strukture čestica jezgra-ljuska poboljšavaju električnu provodljivost, tehnologija ultrazvučne disperzije i sonohemijska sinteza čestica jezgra-ljuska omogućavaju proizvodnju vrhunskih nanokompozita za primjenu u baterijama.

Disperzija litijum gvožđe fosfata: Istraživački tim Hagberga (Hagberg et al., 2018) koristio je ultrasonikator UP100H za postupak strukturalne pozitivne elektrode koja se sastoji od ugljičnih vlakana obloženih litijum željeznim fosfatom (LFP). Ugljična vlakna su neprekidna, samostojeća vuča koja djeluju kao kolektori struje i osiguravaju mehaničku krutost i čvrstoću. Za optimalne performanse, vlakna se premazuju pojedinačno, npr. pomoću elektroforetskog nanošenja.
Ispitivani su različiti omjeri težine mješavina koje se sastoje od LFP, CB i PVDF. Ove mješavine su presvučene na karbonska vlakna. Budući da se nehomogena distribucija u sastavima kupke za premazivanje može razlikovati od sastava u samom premazu, koristi se rigorozno miješanje ultrazvukom kako bi se razlika minimizirala.
Oni su primijetili da su čestice relativno dobro raspršene po cijelom premazu što se pripisuje upotrebi surfaktanta (Triton X-100) i ultrazvučnom koraku prije elektroforetskog taloženja.

SEM slike poprečnog presjeka i velikog povećanja EPD presvučenih karbonskih vlakana. Mješavina LFP, CB i PVDF ultrazvučno je homogenizirana korištenjem ultrasonikator UP100H. Uvećanja: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studija i slika: ©Hagberg et al., 2018)

Disperzija LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozitni materijal katode:
Vidal et al. (2013) istraživali su uticaj koraka obrade kao što su sonikacija, pritisak i sastav materijala za LiNi_0.5Mn_1.5O₄kompozitne katode.
Pozitivne kompozitne elektrode koje sadrže LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel kao aktivni materijal, mješavina grafita i čađe za povećanje električne provodljivosti elektrode i polivinildenfluorida (PVDF) ili mješavine PVDF-a s malom količinom Teflon® (1 tež.%) za izgradnju elektrode. Obrađeni su lijevanjem trake na aluminijsku foliju kao strujni kolektor tehnikom doktora. Dodatno, mješavine komponenti su ili sonikirane ili ne, a obrađene elektrode su sabijene ili ne pod naknadnim hladnim presovanjem. Testirane su dvije formulacije:
A-Formulacija (bez Teflona®): 78 tež.% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 tež.% čađe; 2,5 tež% grafita; 12 wt% PVDF
B-Formulacija (sa Teflonom®): 78 tež.% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 tež.% čađe; 2,5 mas% grafita; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
U oba slučaja komponente su pomiješane i dispergirane u N-metilpirolidinonu (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) zajedno sa ostalim komponentama u već postavljenim procentima raspršen je u 11 ml NMP. U nekim posebnim slučajevima, smjesa je obrađena ultrazvukom 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 obrade ultrazvukom. Obrada ultrazvukom pospješuje homogenu disperziju komponenti elektrode i dobivena LNMS elektroda izgleda ujednačenije.
Pripremljene su i proučavane kompozitne elektrode velike težine, do 17 mg/cm2, kao pozitivne elektrode za litijum-jonske baterije. Dodavanje Teflon®-a i primjena obrade ultrazvukom dovode do ujednačenih elektroda koje su dobro pričvršćene za aluminijsku foliju. Oba parametra doprinose poboljšanju kapaciteta koji se drenira pri visokim stopama (5C). Dodatno sabijanje sklopova elektroda/aluminij značajno povećava mogućnosti brzine elektrode. Pri stopi od 5C, izvanredno zadržavanje kapaciteta između 80% i 90% nalazi se za elektrode s težinama u rasponu 3-17mg/cm², koji imaju Teflon® u svojoj formulaciji, pripremljeni nakon sonikacije mješavine njihovih komponenti i zbijeni ispod 2 tone/cm².
Ukratko, elektrode koje imaju 1 wt% Teflon® u svojoj formulaciji, njihove mješavine komponenti podvrgnute ultrazvučnom tretmanu, zbijene pri 2 tone/cm2 i težine u rasponu od 2,7-17 mg/cm2 pokazale su izvanrednu sposobnost brzine. Čak i pri visokoj struji od 5C, normalizirani kapacitet pražnjenja bio je između 80% i 90% za sve ove elektrode. (usp. Vidal et al., 2013.)

Ultrazvučni disperzatori visokih performansi za proizvodnju baterija

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučnu opremu velike snage, visokih performansi, koja se koristi za obradu katodnih, anodnih i elektrolitnih materijala za upotrebu u litijum-jonskim baterijama (LIB), natrijum-jonskim baterijama (NIB) i drugim baterije. Hielscher ultrazvučni sistemi se koriste za sintetizaciju nanokompozita, funkcionalizaciju nanočestica i raspršivanje nanomaterijala u homogene, stabilne suspenzije.
Nudeći portfelj od laboratorijskih do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher je tržišni lider za ultrazvučne disperzere visokih performansi. Radeći više od 30 godina na polju sinteze nanomaterijala i smanjenja veličine, Hielscher Ultrasonics ima veliko iskustvo u ultrazvučnoj obradi nanočestica 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 ultrasonikatore u pouzdane radne konje u procesu proizvodnje elektroda. Svi ultrazvučni sistemi se proizvode u sjedištu u Teltowu, Njemačka, testirani su na kvalitet i robusnost, a zatim se distribuiraju iz Njemačke širom svijeta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasonikatora dizajnirani su da garantuju pouzdan rad, ponovljive rezultate kao i jednostavnost za korisnika. Hielscher ultrasonikatori su robusni i konzistentni u performansama, što im omogućava da se instaliraju u zahtjevnim okruženjima i rade u teškim uvjetima. Operativnim postavkama se može lako pristupiti i birati ih putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog dodirnog ekrana u boji i daljinskog upravljača pretraživača. Stoga se svi uvjeti obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura automatski snimaju na ugrađenu SD karticu. Ovo vam omogućava da revidirate i uporedite prethodne serije sonikacije i da optimizirate sintezu, funkcionalizaciju i disperziju nanomaterijala i kompozita do najveće efikasnosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom svijeta za sonohemijsku sintezu nanomaterijala i dokazano su pouzdani za disperziju nanočestica u stabilne koloidne suspenzije. Hielscher industrijski ultrasonikatori mogu kontinuirano raditi visoke amplitude i napravljeni su za rad 24 sata dnevno. Amplitude do 200 µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi). Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijsku sintezu, funkcionalizaciju, nanostrukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas sada da razgovaramo o vašem koraku procesa koji uključuje nanomaterijale za proizvodnju baterija! Naše iskusno osoblje će rado podijeliti više informacija o vrhunskim rezultatima disperzije, ultrazvučnim sistemima visokih performansi i cijenama!
Uz prednost ultrazvučne obrade, vaša napredna proizvodnja elektroda i elektrolita će se odlikovati efikasnošću, jednostavnošću i niskom cijenom u usporedbi s drugim proizvođačima elektroda!

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: