Sonochemische Synthese von Elektrodenmaterialien für die Batterieproduktion

Bei der Herstellung leistungsfähiger Batteriezellen sind nanostrukturierte Materialien und Nanokomposite entscheidend für eine überlegene elektrische Leitfähigkeit, höhere Speicherdichten, hohe Kapazität und Zuverlässigkeit. Um die Funktionalität von Nanomaterialien vollständig auszuschöpfen, müssen Nanopartikel einzeln dispergiert oder exfoliert werden und benötigen gegebenenfalls weitere Verarbeitungsschritte wie eine Funktionalisierung. Die Ultraschallverarbeitung von Nanomaterialien ist ein überlegenes, wirksames und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung leistungsfähiger Nanomaterialien und Nanokomposite für die fortschrittliche Batterieproduktion.

Ultraschalldispergierung elektrochemisch aktiver Materialien in Elektrodensuspensionen

Nanomaterialien werden als innovative Elektrodenmaterialien eingesetzt, wodurch die Leistungsfähigkeit wiederaufladbarer Batterien deutlich gesteigert wurde. Die Überwindung von Agglomeration, Aggregation und Phasentrennung ist für die Herstellung von Suspensionen zur Elektrodenfertigung entscheidend, insbesondere beim Einsatz nanoskaliger Materialien. Nanomaterialien vergrößern die aktive Oberfläche von Batterieelektroden, sodass diese während der Ladezyklen mehr Energie aufnehmen können und sich ihre gesamte Energiespeicherkapazität erhöht. Um die Vorteile von Nanomaterialien vollständig zu nutzen, müssen diese nanostrukturierten Partikel entwirrt und als einzelne Partikel in der Elektrodensuspension verteilt werden. Die Ultraschalldispergierung erzeugt gezielt hohe sonomechanische Scherkräfte sowie sonochemische Energie, wodurch nanoskalige Materialien auf atomarer Ebene gemischt und komplexiert werden.
Nanopartikel wie Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Metalle und Seltenerdminerale müssen gleichmäßig zu einer stabilen Suspension dispergiert werden, um hochfunktionale Elektrodenmaterialien zu erhalten.
So sind Graphen und CNTs beispielsweise dafür bekannt, die Leistungsfähigkeit von Batteriezellen zu verbessern; dabei muss jedoch die Partikelagglomeration überwunden werden. Daher ist ein leistungsfähiges Dispergierverfahren zwingend erforderlich, das Nanomaterialien auch bei gegebenenfalls hohen Viskositäten verarbeiten kann. Ultraschallgeräte mit Sonotrode bieten ein leistungsfähiges Dispergierverfahren, mit dem Nanomaterialien selbst bei hohen Feststoffgehalten zuverlässig und wirksam verarbeitet werden können.

Warum ist die Ultraschallbehandlung das überlegene Verfahren zur Verarbeitung von Nanomaterialien?

Wenn andere Dispergier- und Mischverfahren wie Hochschermischer, Perlmühlen oder Hochdruckhomogenisatoren an ihre Grenzen stoßen, zeichnet sich die Ultraschallbehandlung bei der Verarbeitung von Mikro- und Nanopartikeln aus.
Hochleistungsultraschall und die durch Ultraschall erzeugte akustische Kavitation schaffen einzigartige energetische Bedingungen und eine extrem hohe Energiedichte. Dadurch lassen sich Nanomaterialien deagglomerieren oder exfolieren und funktionalisieren, Nanostrukturen in Bottom-up-Prozessen synthetisieren und leistungsfähige Nanokomposite herstellen.
Da Ultraschallgeräte von Hielscher eine präzise Steuerung der wichtigsten Ultraschallprozessparameter wie Intensität (Ws/mL), Amplitude (µm), Temperatur (ºC/ºF) und Druck (bar) ermöglichen, können die Prozessbedingungen für jedes Material und jeden Prozess individuell auf optimale Einstellungen abgestimmt werden. Ultraschalldispergierer sind dadurch äußerst vielseitig und lassen sich für zahlreiche Anwendungen einsetzen, z. B. zur CNT-Dispergierung, Graphenexfolierung, sonochemischen Synthese von Kern-Schale-Partikeln oder Funktionalisierung von Siliziumnanopartikeln.

REM-Aufnahmen von sonochemisch hergestelltem Na0.44MnO2 nach Kalzinierung bei 900°C für 2 h.
(Studie und Abbildung: ©Shinde et al., 2019)

Erfahren Sie mehr über industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher zur Verarbeitung von Nanomaterialien in der Batterieherstellung!

Nachfolgend finden Sie verschiedene ultraschallgestützte Anwendungen zur Verarbeitung von Nanomaterialien:

Ultraschallsynthese von Nanokompositen

Ultraschallsynthese eines Graphen–SnO₂-Nanokomposits: Das Forschungsteam von Deosakar et al. (2013) entwickelte ein ultraschallgestütztes Verfahren zur Herstellung eines Graphen–SnO2-Nanokomposits. Die Forschenden untersuchten die durch Hochleistungsultraschall erzeugten Kavitationseffekte während der Synthese des Graphen–SnO2-Komposits. Für die Beschallung verwendeten sie ein Gerät von Hielscher Ultrasonics. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich zu herkömmlichen Synthesemethoden eine durch Ultraschall verbesserte Beladung der Graphennanoblätter mit fein und gleichmäßig verteiltem SnO₂ durch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Graphenoxid und SnCl₂·2H₂O.

Schaubild zum Bildungsprozess von Graphenoxid und SnO₂–Graphen-Nanokomposit.
(Studie und Abbildungen: ©Deosakar et al., 2013)

Ein SnO₂–Graphen-Nanokomposit wurde erfolgreich mit einem neuartigen und wirksamen ultraschallgestützten chemischen Syntheseverfahren in Lösung hergestellt, und Graphenoxid wurde durch SnCl₂ in Gegenwart von HCl zu Graphenblättern reduziert. Die TEM-Analyse zeigt die Beladung der Graphennanoblätter mit fein und gleichmäßig verteiltem SnO₂. Die durch Ultraschallbestrahlung erzeugten Kavitationseffekte verstärken nachweislich die Beladung der Graphennanoblätter mit fein und gleichmäßig verteiltem SnO2 während der Oxidations-Reduktions-Reaktion zwischen Graphenoxid und SnCl₂·2H₂O. Die verstärkte feine und gleichmäßige Beladung reduzierter Graphennanoblätter mit SnO2-Nanopartikeln (3–5 nm) wird auf die verbesserte Keimbildung und den verbesserten Transport gelöster Stoffe durch die ultraschallinduzierten Kavitationseffekte zurückgeführt. Die Beladung der Graphennanoblätter mit fein und gleichmäßig verteilten SnO₂-Nanopartikeln wurde auch durch TEM-Analyse bestätigt. Die Verwendung des synthetisierten SnO₂–Graphen-Nanokomposits als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien wird demonstriert. Die Kapazität der auf SnO₂–Graphen-Nanokomposit basierenden Li-Batterie bleibt über etwa 120 Zyklen stabil, und die Batterie konnte wiederholt stabile Lade- und Entladereaktionen durchlaufen. (Deosakar et al., 2013)

TEM-Aufnahme eines SnO₂–Graphen-Nanokomposits, das mit einem sonochemischen Verfahren hergestellt wurde. Der Maßstabsbalken entspricht bei (A) 10nm und bei (B) 5nm.
(Studie und Abbildungen: ©Deosakar et al., 2013)

Ultraschalldispergierung von Nanopartikeln in Batteriesuspensionen

Dispergierung von Elektrodenbestandteilen: Waser et al. (2011) stellten Elektroden mit Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) her. Die Suspension enthielt LiFePO4 als Aktivmaterial und Ruß als elektrisch leitfähigen Zusatz; in N-Methylpyrrolidinon (NMP) gelöstes Polyvinylidenfluorid wurde als Bindemittel verwendet. Das Massenverhältnis von AM/CB/PVDF in den Elektroden betrug nach dem Trocknen 83/8,5/8,5. Zur Herstellung der Suspensionen wurden alle Elektrodenbestandteile in NMP mit einem Ultraschallrührer (UP200H, Hielscher Ultrasonics) für 2 min bei 200 W und 24 kHz gemischt.
Die geringe elektrische Leitfähigkeit und die langsame Li-Ionen-Diffusion entlang der eindimensionalen Kanäle von LiFePO₄ lassen sich durch die Einbettung von LiFePO₄ in eine leitfähige Matrix, z. B. Ruß, überwinden. Da nanoskalige Partikel und Kern-Schale-Partikelstrukturen die elektrische Leitfähigkeit verbessern, ermöglichen die Ultraschalldispergierung und die sonochemische Synthese von Kern-Schale-Partikeln die Herstellung überlegener Nanokomposite für Batterieanwendungen.

Dispergierung von Lithiumeisenphosphat: Das Forschungsteam von Hagberg (Hagberg et al., 2018) verwendete das Ultraschallgerät UP100H zur Herstellung einer tragenden positiven Elektrode aus mit Lithiumeisenphosphat (LFP) beschichteten Kohlenstofffasern. Die Kohlenstofffasern bilden kontinuierliche, selbsttragende Faserbündel, die als Stromableiter dienen und mechanische Steifigkeit und Festigkeit verleihen. Für eine optimale Leistung werden die Fasern einzeln beschichtet, z. B. durch elektrophoretische Abscheidung.
Es wurden verschiedene Gewichtsverhältnisse von Mischungen aus LFP, CB und PVDF getestet. Diese Mischungen wurden als Beschichtung auf Kohlenstofffasern aufgebracht. Da sich die Zusammensetzung des Beschichtungsbads aufgrund einer inhomogenen Verteilung von der Zusammensetzung der eigentlichen Beschichtung unterscheiden kann, wird intensives Rühren mittels Ultraschall eingesetzt, um diesen Unterschied zu minimieren.
Die Forschenden stellten fest, dass die Partikel in der gesamten Beschichtung relativ gut dispergiert sind. Dies wird auf den Einsatz eines Tensids (Triton X-100) und den Ultraschallbehandlungsschritt vor der elektrophoretischen Abscheidung zurückgeführt.

Querschnittsaufnahmen und stark vergrößerte REM-Aufnahmen von mittels EPD beschichteten Kohlenstofffasern. Die Mischung aus LFP, CB und PVDF wurde mithilfe des Ultraschallgeräts UP100H mittels Ultraschall homogenisiert. Vergrößerungen: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studie und Abbildung: ©Hagberg et al., 2018)

Dispergierung von LiNi_0.5Mn_1.5O₄-Kompositkathodenmaterial:
Vidal et al. (2013) untersuchten den Einfluss von Verarbeitungsschritten wie Beschallung, Druck und Materialzusammensetzung bei LiNi_0.5Mn_1.5O₄-Kompositkathoden.
Die positiven Kompositelektroden enthielten LiNi_0.5 Mn_1.5O4-Spinell als Aktivmaterial, eine Mischung aus Graphit und Ruß zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrode und entweder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder eine Mischung aus PVDF mit einer geringen Menge Teflon® (1 wt%) zum Aufbau der Elektrode. Sie wurden durch Foliengießen mit der Rakeltechnik auf einer Aluminiumfolie als Stromableiter hergestellt. Zusätzlich wurden die Komponentenmischungen entweder beschallt oder nicht beschallt, und die hergestellten Elektroden wurden anschließend entweder durch Kaltpressen verdichtet oder unverdichtet belassen. Zwei Rezepturen wurden getestet:
Rezeptur A (ohne Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% Ruß; 2,5 wt% Graphit; 12 wt% PVDF
Rezeptur B (mit Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% Ruß; 2,5 wt% Graphit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
In beiden Fällen wurden die Komponenten in N-Methylpyrrolidinon (NMP) gemischt und dispergiert. LiNi_0.5 Mn_1.5O4-Spinell (2g) wurde zusammen mit den anderen Komponenten in den zuvor angegebenen prozentualen Anteilen in 11 ml NMP dispergiert. In einigen Fällen wurde die Mischung für 25 min beschallt und anschließend für 48 h bei Raumtemperatur gerührt. In anderen Fällen wurde die Mischung lediglich für 48 h bei Raumtemperatur gerührt, also ohne Ultraschallbehandlung. Die Ultraschallbehandlung fördert eine homogene Dispergierung der Elektrodenbestandteile, und die erhaltene LNMS-Elektrode erscheint gleichmäßiger.
Kompositelektroden mit hohem Gewicht von bis zu 17mg/cm2 wurden hergestellt und als positive Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien untersucht. Die Zugabe von Teflon® und die Ultraschallbehandlung führen zu gleichmäßigen Elektroden, die gut auf der Aluminiumfolie haften. Beide Parameter tragen dazu bei, die bei hohen Raten (5C) entnehmbare Kapazität zu verbessern. Eine zusätzliche Verdichtung der Elektroden-Aluminium-Verbunde verbessert die Hochstromfähigkeit der Elektroden deutlich. Bei einer Rate von 5C wurde ein bemerkenswerter Kapazitätserhalt zwischen 80% und 90% bei Elektroden mit Gewichten im Bereich von 3–17mg/cm² festgestellt, die Teflon® in ihrer Rezeptur enthielten, nach Beschallung ihrer Komponentenmischungen hergestellt und unter 2 tonnes/cm² verdichtet wurden.
Zusammenfassend zeigten Elektroden mit 1 wt% Teflon® in ihrer Rezeptur, deren Komponentenmischungen einer Ultraschallbehandlung unterzogen wurden, die bei 2 tonnes/cm2 verdichtet wurden und deren Gewichte im Bereich von 2,7–17 mg/cm2 lagen, eine bemerkenswerte Hochstromfähigkeit. Selbst bei dem hohen Strom von 5C lag die normierte Entladekapazität bei all diesen Elektroden zwischen 80% und 90%. (vgl. Vidal et al., 2013)

Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für die Batterieproduktion

Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und vertreibt leistungsstarke Ultraschallgeräte mit hoher Verarbeitungsleistung zur Verarbeitung von Kathoden-, Anoden- und Elektrolytmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (LIB), Natrium-Ionen-Batterien (NIB) und andere Batteriezellen. Ultraschallsysteme von Hielscher werden eingesetzt, um Nanokomposite zu synthetisieren, Nanopartikel zu funktionalisieren und Nanomaterialien zu homogenen, stabilen Suspensionen zu dispergieren.
Mit einem Portfolio an Ultraschallprozessoren vom Labor- bis zum vollindustriellen Maßstab ist Hielscher Marktführer für Hochleistungs-Ultraschalldispergierer. Seit mehr als 30 Jahren auf dem Gebiet der Synthese und Zerkleinerung von Nanomaterialien tätig, verfügt Hielscher Ultrasonics über umfassende Erfahrung in der Ultraschallverarbeitung von Nanopartikeln und bietet die leistungsstärksten und zuverlässigsten Ultraschallprozessoren auf dem Markt. Deutsche Ingenieurskunst sorgt für modernste Technologie und robuste Qualität.
Fortschrittliche Technologie, hohe Leistungsfähigkeit und ausgereifte Software machen Ultraschallgeräte von Hielscher zu zuverlässigen Maschinen in Ihrem Elektrodenfertigungsprozess. Alle Ultraschallsysteme werden am Hauptsitz in Teltow, Deutschland, hergestellt, auf Qualität und Robustheit geprüft und anschließend von Deutschland aus weltweit vertrieben.
Die ausgereifte Hardware und intelligente Software der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind robust und liefern eine konstante Leistung, sodass sie in anspruchsvollen Umgebungen installiert und unter hoher Belastung betrieben werden können. Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und vornehmen. Der Zugriff erfolgt über ein digitales Farb-Touchdisplay oder per Browserfernsteuerung. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und vergleichen und die Synthese, Funktionalisierung und Dispergierung von Nanomaterialien und Kompositen auf höchste Effizienz optimieren.
Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit für die sonochemische Synthese von Nanomaterialien eingesetzt und haben sich bei der Dispergierung von Nanopartikeln zu stabilen kolloidalen Suspensionen als zuverlässig erwiesen. Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher können dauerhaft mit hohen Amplituden betrieben werden und sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich mit Standardsonotroden (Ultraschallsonden / Ultraschallstäbe) problemlos kontinuierlich erzeugen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.
Ultraschallprozessoren von Hielscher für die sonochemische Synthese, Funktionalisierung, Nanostrukturierung und Deagglomeration sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Prozessschritt mit Nanomaterialien für die Batterieherstellung zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeitenden informieren Sie gerne über überlegene Dispergierergebnisse, leistungsfähige Ultraschallsysteme und Preise!
Dank der Ultraschallbehandlung zeichnet sich Ihre fortschrittliche Elektroden- und Elektrolytproduktion im Vergleich zur Produktion anderer Elektrodenhersteller durch Effizienz, Einfachheit und niedrige Kosten aus!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: