Sonochemická syntéza elektrodových materiálů pro výrobu baterií

Při výrobě vysoce výkonných bateriových článků jsou nanostrukturované materiály a nanokompozity klíčové pro vynikající elektrickou vodivost, vyšší hustotu ukládání energie, vysokou kapacitu a spolehlivost. Aby bylo dosaženo plné funkčnosti nanomateriálů, musí být nanočástice jednotlivě dispergovány nebo exfoliovány a mohou vyžadovat další kroky zpracování, jako je funkcionalizace. Ultrazvukové nanozpracování je lepší, účinnou a spolehlivou technikou pro výrobu vysoce výkonných nanomateriálů a nanokompozitů pro pokročilou výrobu baterií.

Ultrazvuková dispergace elektrochemicky aktivních materiálů v elektrodových suspenzích

Nanomateriály se používají jako inovativní elektrodové materiály, což vedlo k výrazně zlepšenému výkonu dobíjecích baterií. Překonání aglomerace, agregace a fázové separace je zásadní pro přípravu suspenzí pro výrobu elektrod, zejména pokud jde o materiály nanometrických rozměrů. Nanomateriály zvětšují aktivní povrch bateriových elektrod, což jim umožňuje absorbovat více energie během nabíjecích cyklů a zvýšit jejich celkovou kapacitu pro ukládání energie. Aby bylo možné plně využít výhod nanomateriálů, musí být tyto nanostrukturované částice rozpleteny a rozptýleny jako samostatné částice v elektrodové suspenzi. Technologie ultrazvukové dispergace poskytuje cílené vysoké smykové (sonomechanické) síly i sonochemickou energii, což vede k míchání na atomární úrovni a komplexaci materiálů nanometrických rozměrů.
Nanočástice, jako jsou grafen, uhlíkové nanotrubice (CNT), kovy a minerály vzácných zemin, musí být rovnoměrně dispergovány do stabilní suspenze, aby se získaly vysoce funkční elektrodové materiály.
Například grafen a CNT jsou dobře známé tím, že zlepšují výkon bateriových článků, je však nutné překonat aglomeraci částic. To znamená, že je naprosto nezbytná vysoce výkonná dispergační technika schopná zpracovávat nanomateriály a případně i vysoké viskozity. Ultrazvukové přístroje sondového typu jsou vysoce výkonnou dispergační metodou, která dokáže spolehlivě a účinně zpracovávat nanomateriály i při vysokém obsahu pevných látek.

Proč je sonikace lepší technikou pro zpracování nanomateriálů?

Když jiné dispergační a míchací techniky, jako jsou vysokosmykové míchače, kuličkové mlýny nebo vysokotlaké homogenizátory, narážejí na své limity, je ultrazvuková sonikace metodou, která vyniká při zpracování mikročástic a nanočástic.
Výkonový ultrazvuk a ultrazvukem generovaná akustická kavitace poskytují jedinečné energetické podmínky a extrémní hustotu energie, které umožňují deaglomerovat nebo exfoliovat nanomateriály, funkcionalizovat je, syntetizovat nanostruktury v procesech bottom-up a připravovat vysoce výkonné nanokompozity.
Jelikož ultrazvukové přístroje Hielscher umožňují přesné řízení nejdůležitějších parametrů ultrazvukového zpracování, jako jsou intenzita (Ws/mL), amplituda (µm), teplota (ºC/ºF) a tlak (bar), lze podmínky zpracování individuálně vyladit na optimální nastavení pro každý materiál a proces. Díky tomu jsou ultrazvukové dispergátory vysoce univerzální a lze je použít pro četné aplikace, např. dispergaci CNT, exfoliaci grafenu, sonochemickou syntézu částic typu jádro-obal nebo funkcionalizaci křemíkových nanočástic.

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

Zjistěte více o průmyslových ultrazvukových přístrojích Hielscher pro zpracování nanomateriálů ve výrobě baterií!

Níže naleznete různé ultrazvukem podporované aplikace zpracování nanomateriálů:

Ultrazvuková syntéza nanokompozitů

Ultrazvuková syntéza grafen–SnO₂ nanokompozitu: Výzkumný tým Deosakar et al. (2013) vyvinul ultrazvukem podporovaný postup přípravy nanokompozitu grafen–SnO2. Zkoumali kavitační účinky vyvolané výkonovým ultrazvukem během syntézy kompozitu grafen–SnO2. K sonikaci použili zařízení Hielscher Ultrasonics. Výsledky prokazují ultrazvukem zlepšené jemné a rovnoměrné nanesení SnO₂ na grafenové nanovrstvy oxidačně-redukční reakcí mezi oxidem grafenu a SnCl₂·2H₂O ve srovnání s konvenčními metodami syntézy.

Diagram znázorňující proces tvorby oxidu grafenu a nanokompozitu SnO₂–grafen.
(Studie a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafenový nanokompozit byl úspěšně připraven novým a účinným postupem chemické syntézy v roztoku za asistence ultrazvuku a oxid grafenu byl redukován pomocí SnCl₂ na grafenové vrstvy v přítomnosti HCl. Analýza TEM ukazuje rovnoměrné a jemné nanesení SnO₂ v grafenových nanovrstvách. Bylo prokázáno, že kavitační účinky vyvolané použitím ultrazvukového ozařování zintenzivňují jemné a rovnoměrné nanesení SnO2 na grafenové nanovrstvy během oxidačně-redukční reakce mezi oxidem grafenu a SnCl₂·2H₂O. Zintenzivněné jemné a rovnoměrné nanesení nanočástic SnO2 (3–5 nm) na redukované grafenové nanovrstvy se připisuje zesílené nukleaci a přenosu rozpuštěné látky v důsledku kavitačního účinku vyvolaného ultrazvukovým ozařováním. Jemné a rovnoměrné nanesení nanočástic SnO₂ na grafenové nanovrstvy bylo rovněž potvrzeno analýzou TEM. Je demonstrováno použití syntetizovaného nanokompozitu SnO₂–grafen jako anodového materiálu v lithium-iontových bateriích. Kapacita Li-baterie na bázi nanokompozitu SnO₂–grafen je stabilní po přibližně 120 cyklů a baterie mohla opakovaně provádět stabilní nabíjecí–vybíjecí reakci. (Deosakar et al., 2013)

Snímek TEM nanokompozitu SnO₂–grafen připraveného sonochemickou metodou. Měřítko udává u (A) 10nm, u (B) 5nm.
(Studie a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvuková dispergace nanočástic do bateriových suspenzí

Dispergace složek elektrod: Waser et al. (2011) připravili elektrody s fosforečnanem lithno-železnatým (LiFePO₄). Suspenze obsahovala LiFePO4 jako aktivní materiál, saze jako elektricky vodivou přísadu a 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. K přípravě suspenzí byly všechny složky elektrody smíchány v NMP pomocí ultrazvukového míchadla (UP200H, Hielscher Ultrasonics) po dobu 2 min při 200 W a 24 kHz.
Nízkou elektrickou vodivost a pomalou difuzi Li-iontů podél jednorozměrných kanálů LiFePO₄ lze překonat zabudováním LiFePO₄ do vodivé matrice, např. sazí. Jelikož nanočástice a struktury částic typu jádro-obal zlepšují elektrickou vodivost, umožňují technologie ultrazvukové dispergace a sonochemická syntéza částic typu jádro-obal vyrábět vynikající nanokompozity pro bateriové aplikace.

Dispergace fosforečnanu lithno-železnatého: Výzkumný tým Hagberga (Hagberg et al., 2018) použil ultrazvukový přístroj UP100H při postupu přípravy strukturní kladné elektrody tvořené uhlíkovými vlákny potaženými fosforečnanem lithno-železnatým (LFP). Uhlíková vlákna jsou kontinuální samonosné svazky, které fungují jako sběrače proudu a zajistí mechanickou tuhost a pevnost. Pro optimální výkon se vlákna potahují jednotlivě, např. pomocí elektroforetické depozice.
Byly testovány různé hmotnostní poměry směsí tvořených LFP, CB a PVDF. Tyto směsi byly naneseny na uhlíková vlákna. Jelikož se v důsledku nehomogenní distribuce může složení povlakovací lázně lišit od složení samotného povlaku, používá se k minimalizaci tohoto rozdílu důkladné míchání pomocí ultrazvukové sonikace.
Zjistili, že částice jsou v celém povlaku poměrně dobře dispergovány, což se připisuje použití povrchově aktivní látky (Triton X-100) a kroku ultrazvukové sonikace před elektroforetickou depozicí.

Snímky SEM příčného řezu a při vysokém zvětšení uhlíkových vláken potažených metodou EPD. Směs LFP, CB a PVDF byla ultrazvukově homogenizována pomocí ultrazvukového přístroje UP100H. Zvětšení: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studie a obrázek: ©Hagberg et al., 2018)

Dispergace LiNi_0.5Mn_1.5O₄ jako kompozitního katodového materiálu:
Vidal et al. (2013) zkoumali vliv kroků zpracování, jako je sonikace, tlak a složení materiálu, na kompozitní katody LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Kladné kompozitní elektrody obsahovaly spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 jako aktivní materiál, směs grafitu a sazí ke zvýšení elektrické vodivosti elektrody a buď polyvinylidenfluorid (PVDF), nebo směs PVDF s malým množstvím Teflonu® (1 wt%) k výstavbě elektrody. Elektrody byly zpracovány litím pásky na hliníkovou fólii jako sběrač proudu pomocí techniky stěrky (doctor blade). Kromě toho byly směsi složek buď sonikovány, nebo ne, a zpracované elektrody byly buď zhutněny následným lisováním za studena, nebo ne. Byly testovány dvě formulace:
Formulace A (bez Teflonu®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% sazí; 2,5 wt% grafitu; 12 wt% PVDF
Formulace B (s Teflonem®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% sazí; 2,5 wt% grafitu; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflonu®
V obou případech byly složky smíchány a dispergovány v N-methylpyrrolidinonu (NMP). Spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g) byl spolu s ostatními složkami v uvedených, již stanovených procentuálních podílech dispergován v 11 ml NMP. V některých konkrétních případech byla směs sonikována po dobu 25 min a poté míchána při pokojové teplotě po dobu 48 h. V jiných případech byla směs pouze míchána při pokojové teplotě po dobu 48 h, tj. bez jakékoli sonikace. Ošetření sonikací podporuje homogenní dispergaci složek elektrody a získaná elektroda LNMS vypadá rovnoměrněji.
Kompozitní elektrody s vysokou hmotností, až 17mg/cm2, byly připraveny a studovány jako kladné elektrody pro lithium-iontové baterie. Přidání Teflonu® a použití ošetření sonikací vedou k rovnoměrným elektrodám, které dobře přilnou k hliníkové fólii. Oba parametry přispívají ke zlepšení kapacity odebírané při vysokých rychlostech (5C). Dodatečné zhutnění sestav elektroda/hliník pozoruhodně zlepšuje rychlostní schopnosti elektrod. Při rychlosti 5C byly zjištěny pozoruhodné retence kapacity mezi 80% a 90% u elektrod s hmotností v rozsahu 3–17mg/cm², které obsahují ve své formulaci Teflon® a byly připraveny po sonikaci směsí svých složek a zhutněny pod tlakem 2 tuny/cm².
Shrnuto, elektrody obsahující ve své formulaci 1 wt% Teflonu®, jejichž směsi složek byly podrobeny ošetření sonikací, zhutněné při 2 tunách/cm2 a s hmotností v rozsahu 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 výkonová, vysoce výkonná ultrazvuková zařízení, která se používají ke zpracování katodových, anodových a elektrolytových materiálů pro lithium-iontové baterie (LIB), sodíko-iontové baterie (NIB) a další bateriové články. Ultrazvukové systémy Hielscher se používají k syntéze nanokompozitů, funkcionalizaci nanočástic a dispergaci nanomateriálů do homogenních, stabilních suspenzí.
Díky portfoliu ultrazvukových procesorů od laboratorního až po plně průmyslové měřítko je Hielscher lídrem na trhu s vysoce výkonnými ultrazvukovými dispergátory. Společnost Hielscher Ultrasonics působí již více než 30 let v oblasti syntézy nanomateriálů a zmenšování velikosti částic, má rozsáhlé zkušenosti s ultrazvukovým zpracováním nanočástic a nabízí nejvýkonnější a nejspolehlivější ultrazvukové procesory na trhu. Německé inženýrství zajišťuje nejmodernější technologii a robustní kvalitu.
Pokročilá technologie, vysoký výkon a propracovaný software dělají z ultrazvukových přístrojů Hielscher spolehlivé pracovní koně ve vašem procesu výroby elektrod. Všechny ultrazvukové systémy jsou vyráběny v sídle společnosti v Teltow v Německu, testovány z hlediska kvality a robustnosti a poté distribuovány z Německa do celého světa.
Propracovaný hardware a chytrý software ultrazvukových přístrojů Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Ultrazvukové přístroje Hielscher jsou robustní a mají konzistentní výkon, což umožňuje instalovat je do náročných prostředí a provozovat je v podmínkách vysokého zatížení. Provozní nastavení jsou snadno dostupná a lze je volit prostřednictvím intuitivního menu, které je přístupné přes digitální barevný dotykový displej a dálkové ovládání v prohlížeči. Proto jsou všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávány na vestavěnou SD kartu. To vám umožňuje revidovat a porovnávat předchozí běhy sonikace a optimalizovat syntézu, funkcionalizaci a dispergaci nanomateriálů a kompozitů na nejvyšší účinnost.
Systémy Hielscher Ultrasonics se celosvětově používají pro sonochemickou syntézu nanomateriálů a jsou prokazatelně spolehlivé při dispergaci nanočástic do stabilních koloidních suspenzí. Průmyslové ultrazvukové přístroje Hielscher mohou nepřetržitě pracovat s vysokými amplitudami a jsou konstruovány pro provoz 24/7. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě generovat se standardními sonotrodami (ultrazvukovými sondami / sonotrodami). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zákaznicky upravené ultrazvukové sonotrody.
Ultrazvukové procesory Hielscher pro sonochemickou syntézu, funkcionalizaci, nanostrukturování a deaglomeraci jsou již celosvětově instalovány v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a proberte s námi svůj procesní krok zahrnující nanomateriály pro výrobu baterií! Naši zkušení pracovníci vám rádi poskytnou další informace o vynikajících výsledcích dispergace, vysoce výkonných ultrazvukových systémech a cenách!
Díky výhodám ultrazvukové sonikace bude vaše pokročilá výroba elektrod a elektrolytů ve srovnání s ostatními výrobci elektrod vynikat účinností, jednoduchostí a nízkými náklady!

Níže uvedená tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich ultrazvukových přístrojů: