Sonochemická syntéza elektrodových materiálů pro výrobu baterií

Při výrobě vysoce výkonných bateriových článků hrají důležitou roli nanostrukturované materiály a nanokompozity, které poskytují vynikající elektrickou vodivost, vyšší hustotu skladování, vysokou kapacitu a spolehlivost. Aby nanočástice dosáhly plné funkčnosti nanomateriálů, musí být jednotlivě rozptýleny nebo exfoliovány a mohou vyžadovat další kroky zpracování, jako je funkcionalizace. Ultrazvukové nanozpracování je vynikající, účinná a spolehlivá technika pro výrobu vysoce výkonných nanomateriálů a nanokompozitů pro pokročilou výrobu baterií.

Ultrazvuková disperze elektrochemicky aktivních materiálů v elektrodových suspenzích

Nanomateriály se používají jako inovativní elektrodové materiály, což vedlo k výraznému zvýšení výkonu dobíjecích baterií. Překonání aglomerace, agregace a fázové separace je zásadní pro přípravu suspenzí pro výrobu elektrod, zejména pokud se jedná o nanomateriály. Nanomateriály zvětšují aktivní povrch elektrod baterie, což jim umožňuje absorbovat více energie během nabíjecích cyklů a zvýšit jejich celkovou kapacitu pro skladování energie. Aby bylo možné plně využít výhod nanomateriálů, musí být tyto nanostrukturované částice rozpleteny a distribuovány jako samostatné částice v elektrodové suspenzi. Ultrazvuková dispergační technologie poskytuje soustředěné síly s vysokým smykem (sonomechinální) a také sonochemickou energii, což vede k míchání a komplexaci nanomateriálů na atomární úrovni.
Nanočástice, jako je grafen, uhlíkové nanotrubice (CNT), kovy a minerály vzácných zemin, musí být rovnoměrně rozptýleny do stabilní suspenze, aby se získaly vysoce funkční elektrodové materiály.
Například grafen a CNT jsou dobře známé tím, že zvyšují výkon bateriových článků, ale aglomerace částic musí být překonána. To znamená, že je naprosto nezbytná vysoce výkonná disperzní technika, která je schopna zpracovávat nanomateriály a případně vysokou viskozitu. Ultrazvukové sondy jsou vysoce výkonnou dispergační metodou, která dokáže spolehlivě a efektivně zpracovávat nanomateriály i při vysokém zatížení pevných látek.

Proč je sonikace vynikající technikou pro zpracování nanomateriálů?

Když jiné dispergační a míchací techniky, jako jsou mixéry s vysokým smykem, kuličkové mlýny nebo vysokotlaké homogenizátory, narazí na své limity, ultrazvuku je metoda, která vyniká pro zpracování mikronů a nanočástic.
Vysoce výkonný ultrazvuk a ultrazvukem generovaná akustická kavitace poskytují jedinečné energetické podmínky a extrémní hustotu energie, která umožňuje deaglomerovat nebo exfoliovat nanomateriály, funkcionalizovat je, syntetizovat nanostruktury v procesech zdola nahoru a připravovat vysoce výkonné nanokompozity.
Vzhledem k tomu, že Hielscher ultrasonicators umožňují přesné řízení nejdůležitějších parametrů ultrazvukového zpracování, jako je intenzita (Ws / ml), amplituda (μm), teplota (° C / ° F) a tlak (bar), podmínky zpracování mohou být individuálně vyladěny na optimální nastavení pro každý materiál a proces. Ultrazvukové dispergátory jsou tak vysoce univerzální a lze je použít pro řadu aplikací, např. disperze CNT, exfoliace grafenu, sonochemická syntéza částic jádra nebo funkcionalizace křemíkových nanočástic.

SEM mikrosnímky sonochemicky připraveného Na0.44MnO2 kalcinací při 900 °C po dobu 2 hodin.
(Studie a obrázek: ©Shinde et al., 2019)

Zjistěte více o Hielscher průmyslové ultrasonicators pro zpracování nanomateriálů při výrobě baterií!

Níže naleznete různé ultrazvukem řízené aplikace zpracování nanomateriálů:

Ultrazvuková syntéza nanokompozitů

Ultrazvuková syntéza grafenu–SnO₂ Nanokompozit: Výzkumný tým Deosakar et al. (2013) vyvinul ultrazvukem asistovanou cestu pro přípravu nanokompozitu grafen–SnO2. Zkoumali kavitační efekty generované vysoce výkonným ultrazvukem během syntézy kompozitu grafen-SnO2. Pro sonikaci použili zařízení Hielscher Ultrasonics. Výsledky ukazují ultrazvukem zlepšené jemné a rovnoměrné zatížení SnO₂ na grafenových nanovrstvách oxidačně-redukční reakcí mezi oxidem grafenu a SnCl₂·2H₂O ve srovnání s konvenčními metodami syntézy.

Graf znázorňující proces tvorby oxidu grafenu a SnO₂–grafenový nanokompozit.
(Studie a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafenový nanokompozit byl úspěšně připraven novou a účinnou cestou chemické syntézy na bázi ultrazvukem asistovaného roztoku a oxid grafenu byl redukován pomocí SnCl₂ na grafenové desky v přítomnosti HCl. Analýza TEM ukazuje rovnoměrné a jemné zatížení SnO₂ v grafenových nanovrstvách. Bylo prokázáno, že kavitační efekty produkované v důsledku použití ultrazvukového záření zesilují jemné a rovnoměrné zatížení SnO2 na grafenových nanovrstvách během oxidačně-redukční reakce mezi oxidem grafenu a SnCl₂·2H₂O. Zesílené jemné a rovnoměrné zatížení nanočástic SnO2 (3–5 nm) na redukovaných grafenových nanovrstvách je přičítáno zvýšené nukleaci a přenosu rozpuštěné látky v důsledku kavitačního efektu vyvolaného ultrazvukovým zářením. Jemné a rovnoměrné zatížení SnO₂ Nanočástice na grafenových nanovrstvách byly také potvrzeny z TEM analýzy. Aplikace syntetizovaného SnO₂–Je demonstrován grafenový nanokompozit jako anodový materiál v lithium-iontových bateriích. Kapacita SnO₂–Li-baterie na bázi grafenového nanokompozitu je stabilní po dobu přibližně 120 cyklů a baterie by mohla opakovat stabilní reakci nabíjení a vybíjení. (Deosakar et al., 2013)

TEM obraz SnO₂–grafenový nanokompozit připravený sonochemickou metodou. Sloupec ukazuje při (A) 10 nm, při (B) při 5 nm.
(Studie a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvuková disperze nanočástic do bateriových suspenzí

Disperze složek elektrody: Waser et al. (2011) připravili elektrody s fosforečnanem lithným (LiFePO₄). Suspenze obsahovala LiFePO4 jako aktivní materiál, saze jako elektricky vodivou přísadu, jako pojivo byl použit polyvinylidenfluorid rozpuštěný v N-methylpyrrolidinonu (NMP). Hmotnostní poměr (po vysušení) AM/CB/PVDF v elektrodách byl 83/8,5/8,5. Pro přípravu suspenzí byly všechny elektrodové složky smíchány v NMP s ultrazvukovým míchadlem (UP200H, Hielscher Ultrazvuk) po dobu 2 minut při 200 W a 24 kHz.
Nízká elektrická vodivost a pomalá difúze Li-ion podél jednorozměrných kanálů LiFePO₄ lze překonat vložením LiFePO₄ ve vodivé matrici, např. sazemi. Vzhledem k tomu, že částice nanovelikosti a struktury částic jádro-obal zlepšují elektrickou vodivost, ultrazvuková disperzní technologie a sonochemická syntéza částic jádro-obal umožňují vyrábět vynikající nanokompozity pro bateriové aplikace.

Disperze fosforečnanu lithného: Výzkumný tým Hagberga (Hagberg et al., 2018) použil ultrasonicator UP100H pro postup strukturní kladné elektrody skládající se z uhlíkových vláken potažených fosforečnanem lithným (LFP). Uhlíková vlákna jsou kontinuální, samostatně stojící vleky, které fungují jako sběrače proudu a poskytují mechanickou tuhost a pevnost. Pro optimální výkon jsou vlákna potažena jednotlivě, např. pomocí elektroforetické depozice.
Byly testovány různé hmotnostní poměry směsí skládajících se z LFP, CB a PVDF. Tyto směsi byly potaženy uhlíkovými vlákny. Vzhledem k tomu, že nehomogenní distribuce v kompozicích nátěrové lázně se může lišit od složení v samotném povlaku, používá se k minimalizaci rozdílu přísné míchání ultrazvukem.
Všimli si, že částice jsou relativně dobře rozptýleny v celém povlaku, což je přičítáno použití povrchově aktivní látky (Triton X-100) a kroku ultrazvuku před elektroforetickým nanášením.

Příčný řez a velké zvětšení SEM snímky uhlíkových vláken potažených EPD. Směs LFP, CB a PVDF byla ultrazvukem homogenizována pomocí ultrasonicator UP100H. Zvětšení: a) 0,8 kx, b) 0,8 kx, c) 1,5 kx, d) 30 kx.
(Studie a obrázek: ©Hagberg et al., 2018)

Disperze LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Materiál kompozitní katody:
Vidal et al. (2013) zkoumali vliv kroků zpracování, jako je sonikace, tlak a materiálové složení pro LiNi_0.5Mn_1.5O₄kompozitní katody.
Kladné kompozitní elektrody s LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel jako aktivní materiál, směs grafitu a sazí pro zvýšení elektrické vodivosti elektrody a buď polyvinyldenefluorid (PVDF) nebo směs PVDF s malým množstvím teflonu® (1 hm%) pro stavbu elektrody. Byly zpracovány odléváním pásky na hliníkovou fólii jako sběrač proudu technikou doctor blade. Kromě toho byly směsi složek buď sonikovány, nebo ne, a zpracované elektrody byly zhutněny nebo ne při následném lisování za studena. Byly testovány dvě formulace:
A-formulace (bez teflonu®): 78 hm% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 hm% sazí; 2,5 hm% grafitu; 12 hm% PVDF
B-formulace (s teflonem®): 78 hm% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 hm% sazí; 2,5 hm% grafitu; 11 hm.% PVDF; 1 hm% teflonu®
V obou případech byly složky smíchány a dispergovány v N-methylpyrrolidonu (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) spolu s ostatními složkami v uvedených již nastavených procentech byl dispergován v 11 ml NMP. V některých konkrétních případech, směs byla sonikována po dobu 25 minut a poté míchána při pokojové teplotě po dobu 48 hodin. V některých jiných, směs byla pouze míchána při pokojové teplotě po dobu 48 hodin, tj. bez jakékoli sonikace. Sonikační ošetření podporuje homogenní disperzi složek elektrody a získaná elektroda LNMS vypadá jednotněji.
Kompozitní elektrody s vysokou hmotností, až 17 mg/cm2, byly připraveny a studovány jako kladné elektrody pro lithium-iontové baterie. Přidání teflonu® a aplikace ultrazvukové úpravy vedou k jednotným elektrodám, které jsou dobře přilnuty k hliníkové fólii. Oba parametry přispívají ke zlepšení kapacity vypouštěné při vysokých rychlostech (5C). Dodatečné zhutnění sestav elektroda/hliník výrazně zvyšuje možnosti rychlosti elektrod. Při rychlosti 5C bylo zjištěno pozoruhodné zachování kapacity mezi 80 % a 90 % u elektrod s hmotností v rozmezí 3-17 mg/cm², které mají ve svém složení teflon®, připravené po sonikaci jejich směsí složek a zhutněné pod 2 tuny / cm².
Stručně řečeno, elektrody mající ve svém složení 1 hm% teflonu®, jejich směsi složek podrobené sonikační léčbě, zhutněné na 2 tuny / cm2 a s hmotnostmi v rozmezí 2,7-17 mg / cm2 vykazovaly pozoruhodnou rychlostní schopnost. I při vysokém proudu 5C byla normalizovaná vybíjecí kapacita u všech těchto elektrod mezi 80 % a 90 %. (srov. Vidal et al., 2013)

Vysoce výkonné ultrazvukové dispergátory pro výrobu baterií

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje vysoce výkonné, vysoce výkonné ultrazvukové zařízení, které se používá ke zpracování katodových, anodových a elektrolytických materiálů pro použití v lithium-iontových bateriích (LIB), sodíkovo-iontových bateriích (NIB) a dalších bateriových článcích. Hielscher ultrazvukové systémy se používají k syntéze nanokompozitů, funkcionalizaci nanočástic a dispergaci nanomateriálů do homogenních, stabilních suspenzí.
Společnost Hielscher, která nabízí portfolio od laboratorních až po plně průmyslové ultrazvukové procesory, je lídrem na trhu s vysoce výkonnými ultrazvukovými dispergátory. Společnost Hielscher Ultrasonics, která pracuje již více než 30 let v oblasti syntézy nanomateriálů a zmenšování velikosti, má rozsáhlé zkušenosti s ultrazvukovým zpracováním nanočástic a nabízí nejvýkonnější a nejspolehlivější ultrazvukové procesory na trhu. Německé inženýrství poskytuje nejmodernější technologii a robustní kvalitu.
Pokročilá technologie, vysoce výkonný a sofistikovaný software promění Hielscher ultrasonicators na spolehlivé pracovní koně ve vašem procesu výroby elektrod. Všechny ultrazvukové systémy jsou vyráběny v centrále v německém Teltowě, testovány na kvalitu a robustnost a poté jsou distribuovány z Německa do celého světa.
Sofistikovaný hardware a inteligentní software Hielscher ultrasonicators jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Hielscher ultrasonicators jsou robustní a konzistentní ve výkonu, což umožňuje jejich instalaci do náročných prostředí a jejich provoz v náročných podmínkách. K provozním nastavením lze snadno přistupovat a vytáčet je prostřednictvím intuitivního menu, ke kterému lze přistupovat pomocí digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto se všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. To vám umožní revidovat a porovnávat předchozí běhy sonikace a optimalizovat syntézu, funkcionalizaci a disperzi nanomateriálů a kompozitů s nejvyšší účinností.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro sonochemickou syntézu nanomateriálů a jsou prokázány jako spolehlivé pro disperzi nanočástic do stabilních koloidních suspenzí. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou nepřetržitě provozovat vysoké amplitudy a jsou konstruovány pro provoz 24/7. Amplitudy až 200 μm lze snadno kontinuálně generovat pomocí standardních sonotrod (ultrazvukové sondy / rohy). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Hielscher ultrazvukové procesory pro sonochemickou syntézu, funkcionalizaci, nanostrukturování a deaglomeraci jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte svůj procesní krok týkající se nanomateriálů pro výrobu baterií! Náš zkušený personál se s vámi rád podělí o více informací o vynikajících výsledcích disperze, vysoce výkonných ultrazvukových systémech a cenách!
S výhodou ultrazvuku bude vaše pokročilá výroba elektrod a elektrolytů vynikat účinností, jednoduchostí a nízkými náklady ve srovnání s jinými výrobci elektrod!

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: