Sonokemisk syntese af elektrodematerialer til batteriproduktion

I produktionen af højtydende battericeller spiller nanostrukturerede materialer og nanokompositter en vigtig rolle for at give overlegen elektrisk ledningsevne, højere lagringstæthed, høj kapacitet og pålidelighed. For at opnå nanomaterialers fulde funktionalitet skal nanopartikler dispergeres eller eksfolieres individuelt og kan kræve yderligere behandlingstrin såsom funktionalisering. Ultralyd nano-behandling er den overlegne, effektive og pålidelige teknik til fremstilling af højtydende nanomaterialer og nanokompositter til avanceret batteriproduktion.

Ultralydsdispersion af elektrokemisk aktive materialer i elektrodeopslæmninger

Nanomaterialer bruges som innovative elektrodematerialer, hvilket resulterede i betydeligt forbedret ydeevne af genopladelige batterier. Overvindelse af agglomerering, aggregering og faseadskillelse er afgørende for forberedelsen af gylle til elektrodefremstilling, især når der er tale om materialer i nanostørrelse. Nanomaterialer øger batterielektrodernes aktive overfladeareal, hvilket gør det muligt for dem at absorbere mere energi under opladningscyklusser og øge deres samlede energilagringskapacitet. For at opnå det fulde udbytte af nanomaterialer skal disse nanostrukturerede partikler udvikles og fordeles som separate partikler i elektrodeopslæmningen. Ultralydsdispergeringsteknologi giver fokuserede højforskydningskræfter (sonomechnical) såvel som sonokemisk energi, hvilket fører til blanding på atomart niveau og kompleksdannelse af materialer i nanostørrelse.
Nanopartikler såsom grafen, kulstofnanorør (CNT'er), metaller og sjældne jordarters mineraler skal spredes ensartet i en stabil gylle for at opnå yderst funktionelle elektrodematerialer.
For eksempel er grafen og CNT'er velkendte for at forbedre battericellernes ydeevne, men partikelagglomeration skal overvindes. Det betyder, at der er absolut behov for en højtydende dispersionsteknik, der er i stand til at behandle nanomaterialer og muligvis høje viskositeter. Sonde-type ultralydapparater er den højtydende dispergeringsmetode, som kan behandle nanomaterialer selv ved høje faste belastninger pålideligt og effektivt.

Hvorfor er sonikering den overlegne teknik til behandling af nanomaterialer?

Når andre dispergerings- og blandingsteknikker såsom højforskydningsblandere, perlemøller eller højtrykshomogenisatorer kommer til deres grænser, er ultralydbehandling den metode, der skiller sig ud for mikron- og nanopartikelbehandling.
Ultralyd med høj effekt og den ultralydsgenererede akustiske kavitation giver unikke energiforhold og ekstrem energitæthed, der gør det muligt at deagglomerere eller eksfoliere nanomaterialer, funktionalisere dem, syntetisere nanostrukturer i bottom-up-processer og fremstille højtydende nanokompositter.
Da Hielscher ultralydapparater tillader præcis kontrol af de vigtigste ultralydsbehandlingsparametre såsom intensitet (Ws / ml), amplitude (μm), temperatur (ºC / ºF) og tryk (bar), kan behandlingsbetingelserne indstilles individuelt til optimale indstillinger for hvert materiale og proces. Derved er ultralydsdispergeringsmidler meget alsidige og kan bruges til adskillige applikationer, f.eks. CNT-dispersion, grafeneksfoliering, sonokemisk syntese af kerneskalpartikler eller funktionalisering af siliciumnanopartikler.

SEM-mikrobilleder af sonokemisk fremstillet Na0,44MnO2 ved kalcinering ved 900°C i 2 timer.
(Studie og billede: ©Shinde et al., 2019)

Lær mere om Hielscher industrielle ultralydapparater til nanomaterialebehandling i batterifremstilling!

Nedenfor kan du finde forskellige ultralydsdrevne anvendelser af nanomaterialebehandling:

Ultralydsyntese af nanokompositter

Ultralydsyntese af grafen-SnO₂ nanokomposit: Forskerholdet af Deosakar et al. (2013) udviklede en ultralydassisteret rute til fremstilling af en grafen-SnO2 nanokomposit. De undersøgte de kavitationseffekter, der genereres af ultralyd med høj effekt under syntesen af grafen-SnO2-komposit. Til sonikering brugte de en Hielscher Ultrasonics-enhed. Resultaterne viser en ultralydsforbedret fin og ensartet belastning af SnO₂ på grafen-nanoplader ved oxidation-reduktionsreaktion mellem grafenoxid og SnCl₂·2H₂O sammenlignet med konventionelle syntesemetoder.

Diagram, der viser dannelsesprocessen af grafenoxid og SnO₂–grafen nanokomposit.
(Studie og billeder: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafennanokomposit er blevet fremstillet med succes gennem en ny og effektiv ultralydsassisteret opløsningsbaseret kemisk synteserute, og grafenoxid blev reduceret af SnCl₂ grafenplader i nærvær af HCl. TEM-analyse viser den ensartede og fine belastning af SnO₂ i grafen nanoark. De kavitationseffekter, der produceres på grund af brugen af ultralydsbestrålinger, har vist sig at intensivere den fine og ensartede belastning af SnO2 på grafen-nanoplader under oxidation-reduktionsreaktion mellem grafenoxid og SnCl₂·2H₂O. Den intensiverede fine og ensartede belastning af SnO2 nanopartikler (3-5 nm) på reducerede grafen-nanoplader tilskrives den forbedrede kimdannelse og overførsel af opløste stoffer på grund af kavitationseffekt induceret af ultralydsbestråling. Fin og ensartet belastning af SnO₂ nanopartikler på grafen nanoark blev også bekræftet fra TEM-analyse. Anvendelsen af syntetiseret SnO₂–grafen-nanokomposit som anodemateriale i lithium-ion-batterier er påvist. Kapaciteten af SnO₂–grafen nanokompositbaseret Li-batteri er stabilt i omkring 120 cyklusser, og batteriet kan gentage stabil opladnings-afladningsreaktion. (Deosakar et al., 2013)

TEM-billede af SnO₂–grafen-nanokomposit fremstillet ved sonokemisk metode. Bjælken angiver ved (A) 10nm, ved (B) ved 5nm.
(Studie og billeder: ©Deosakar et al., 2013)

Ultralydsdispersion af nanopartikler i batteriopslæmninger

Spredning af elektriske komponenter: Waser et al. (2011) forberedte elektroder med lithiumjernphosphat (LiFePO₄). Opslæmningen indeholdt LiFePO4 som aktivt materiale, kønrøg som et elektrisk ledende tilsætningsstof, polyvinylidenfluorid opløst i N-methylpyrrolidinon (NMP) blev brugt som bindemiddel. Masseforholdet (efter tørring) af AM/CB/PVDF i elektroderne var 83/8,5/8,5. For at forberede suspensionerne blev alle elektrodebestanddele blandet i NMP med en ultralydsomrører (UP200H, Hielscher Ultralyd) i 2 minutter ved 200 W og 24 kHz.
Lav elektrisk ledningsevne og langsom Li-ion-diffusion langs de endimensionelle kanaler i LiFePO₄ kan overvindes ved at indlejre LiFePO₄ i en ledende matrix, f.eks. kønrøg. Da partikler i nanostørrelse og partikelstrukturer i kerneskal forbedrer den elektriske ledningsevne, giver ultralydsdispersionsteknologi og sonokemisk syntese af kerneskalpartikler mulighed for at producere overlegne nanokompositter til batteriapplikationer.

Dispersion af lithiumjernphosphat: Hagbergs forskerhold (Hagberg et al., 2018) brugte ultralydsapparat UP100H til proceduren for strukturel positiv elektrode bestående af lithiumjernphosphat (LFP) belagte kulfibre. Kulfibrene er kontinuerlige, selvstående træk, der fungerer som strømaftagere og vil give mekanisk stivhed og styrke. For optimal ydeevne belægges fibrene individuelt, f.eks. ved hjælp af elektroforetisk aflejring.
Forskellige vægtforhold for blandinger bestående af LFP, CB og PVDF blev testet. Disse blandinger blev belagt på kulfibre. Da inhomogen fordeling i belægningsbadets sammensætninger kan afvige fra sammensætningen i selve belægningen, anvendes streng omrøring ved ultralydbehandling for at minimere forskellen.
De bemærkede, at partiklerne er relativt godt spredt i hele belægningen, hvilket tilskrives brugen af overfladeaktivt middel (Triton X-100) og ultralydbehandlingstrinnet før elektroforetisk aflejring.

SEM-billeder med tværsnit og høj forstørrelse af EPD-belagte kulfibre. Blandingen af LFP, CB og PVDF blev ultralydshomogeniseret ved hjælp af ultralydsapparat UP100H. Forstørrelser: a) 0,8 kx, b) 0,8 kx, c) 1,5 kx, d) 30 kx.
(Studie og billede: ©Hagberg et al., 2018)

Spredning af LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Komposit katodemateriale:
Vidal et al. (2013) undersøgte indflydelsen af behandlingstrin såsom sonikering, tryk og materialesammensætning for LiNi_0.5Mn_1.5O₄sammensatte katoder.
Positive kompositelektroder med LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinel som aktivt materiale, en blanding af grafit og kønrøg til forøgelse af elektrodens elektriske ledningsevne og enten polyvinyldenfluorid (PVDF) eller en blanding af PVDF med en lille mængde teflon® (1 vægt%) til opbygning af elektroden. De er blevet behandlet ved båndstøbning på en aluminiumsfolie som strømopsamler ved hjælp af doktorbladsteknikken. Derudover blev komponentblandingerne enten sonikeret eller ej, og de behandlede elektroder blev komprimeret eller ikke under efterfølgende koldpresning. To formuleringer er blevet testet:
A-formulering (uden teflon®): 78 vægt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 vægt% kønrøg; 2,5 vægt% grafit; 12 vægt% PVDF
B-formulering (med teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 vægt% kønrøg; 2,5 vægt% grafit; 11 vægt% PVDF; 1 vægt% teflon®
I begge tilfælde blev komponenterne blandet og dispergeret i N-methylpyrrolidinon (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinel (2g) sammen med de øvrige bestanddele i de nævnte procenter, der allerede er opstillet, blev dispergeret i 11 ml NMP. I nogle særlige tilfælde blev blandingen sonikeret i 25 minutter og derefter omrørt ved stuetemperatur i 48 timer. I nogle andre blev blandingen bare omrørt ved stuetemperatur i 48 timer, dvs. uden sonikering. Sonikeringsbehandlingen fremmer en homogen spredning af elektrodekomponenterne, og den opnåede LNMS-elektrode ser mere ensartet ud.
Kompositelektroder med høj vægt, op til 17 mg/cm2, blev fremstillet og undersøgt som positive elektroder til lithium-ion-batterier. Tilsætningen af teflon® og anvendelsen af sonikeringsbehandlingen fører til ensartede elektroder, der er godt klæbet til aluminiumsfolien. Begge parametre bidrager til at forbedre den kapacitet, der drænes ved høje hastigheder (5C). Yderligere komprimering af elektrode-/aluminiumssamlingerne forbedrer elektrodehastighedskapaciteten bemærkelsesværdigt. Ved 5C-hastighed findes bemærkelsesværdige kapacitetstilbageholdelser mellem 80 % og 90 % for elektroder med vægte i området 3-17 mg/cm²med teflon® i formuleringen, tilberedt efter sonikering af deres blandinger og komprimeret under 2 tons/cm².
Sammenfattende viste elektroder med 1 vægt% teflon® i deres formulering, deres komponentblandinger udsat for en sonikeringsbehandling, komprimeret ved 2 tons / cm2 og med vægte i området 2,7-17 mg / cm2 en bemærkelsesværdig hastighedskapacitet. Selv ved den høje strøm på 5C var den normaliserede afladningskapacitet mellem 80% og 90% for alle disse elektroder. (jf. Vidal et al., 2013)

Højtydende ultralydsdispergeringsmidler til batteriproduktion

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer højeffekts, højtydende ultralydsudstyr, som bruges til at behandle katode-, anode- og elektrolytmaterialer til brug i lithium-ion-batterier (LIB), natrium-ion-batterier (NIB) og andre battericeller. Hielscher ultralydssystemer bruges til at syntetisere nanokompositter, funktionalisere nanopartikler og sprede nanomaterialer i homogene, stabile suspensioner.
Hielscher tilbyder en portefølje fra laboratorie- til fuldindustrielle ultralydsprocessorer og er markedsleder inden for højtydende ultralydsdispergeringsapparater. Hielscher Ultrasonics har arbejdet i mere end 30 år inden for nanomaterialesyntese og størrelsesreduktion og har stor erfaring med ultralydsbehandling af nanopartikler og tilbyder de mest kraftfulde og pålidelige ultralydsprocessorer på markedet. Tysk ingeniørkunst leverer den nyeste teknologi og robust kvalitet.
Avanceret teknologi, højtydende og sofistikeret software gør Hielscher ultralydapparater til pålidelige arbejdsheste i din elektrodefremstillingsproces. Alle ultralydssystemer fremstilles i hovedkvarteret i Teltow, Tyskland, testes for kvalitet og robusthed og distribueres derefter fra Tyskland over hele verden.
Den sofistikerede hardware og smarte software fra Hielscher ultralydapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater samt brugervenlighed. Hielscher ultralydapparater er robuste og ensartede i ydeevne, hvilket gør det muligt at installere dem i krævende miljøer og betjene dem under tunge forhold. Driftsindstillinger kan nemt tilgås og indstilles via en intuitiv menu, som kan tilgås via digitalt farveberøringsdisplay og browserfjernbetjening. Derfor registreres alle bearbejdningsforhold som nettoenergi, total energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at revidere og sammenligne tidligere sonikeringskørsler og optimere syntese, funktionalisering og spredning af nanomaterialer og kompositter til højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer bruges over hele verden til sonokemisk syntese af nanomaterialer og har vist sig at være pålidelige til spredning af nanopartikler i stabile kolloide suspensioner. Hielscher industrielle ultralydapparater kan kontinuerligt køre høje amplituder og er bygget til 24/7 drift. Amplituder på op til 200 μm kan let genereres kontinuerligt med standard sonotroder (ultralydssonder / horn). For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Hielscher ultralydsprocessorer til sonokemisk syntese, funktionalisering, nanostrukturering og deagglomerering er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere dit procestrin, der involverer nanomaterialer til batterifremstilling! Vores erfarne personale vil med glæde dele mere information om overlegne spredningsresultater, højtydende ultralydssystemer og priser!
Med fordelen ved ultralydbehandling vil din avancerede elektrode- og elektrolytproduktion udmærke sig i effektivitet, enkelhed og lave omkostninger sammenlignet med andre elektrodeproducenter!

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: