Ηχοχημική σύνθεση υλικών ηλεκτροδίων για παραγωγή μπαταριών

Στην παραγωγή κυψελών μπαταριών υψηλής απόδοσης, τα νανοδομημένα υλικά και τα νανοσύνθετα υλικά διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο παρέχοντας ανώτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλότερες πυκνότητες αποθήκευσης, υψηλή χωρητικότητα και αξιοπιστία. Προκειμένου να επιτευχθούν πλήρεις λειτουργίες των νανοϋλικών, τα νανοσωματίδια πρέπει να διασκορπίζονται ή να απολεπίζονται μεμονωμένα και ενδέχεται να χρειαστούν περαιτέρω στάδια επεξεργασίας, όπως η λειτουργικότητα. Η νανο-επεξεργασία υπερήχων είναι η ανώτερη, αποτελεσματική και αξιόπιστη τεχνική για την παραγωγή νανοϋλικών υψηλής απόδοσης και νανοσύνθετων υλικών για προηγμένη παραγωγή μπαταριών.

Υπερήχων διασπορά ηλεκτροχημικά ενεργών υλικών σε πολτούς ηλεκτροδίων

Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούνται ως καινοτόμα υλικά ηλεκτροδίων, τα οποία είχαν ως αποτέλεσμα τη σημαντική βελτίωση της απόδοσης των επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Η υπέρβαση της συσσωμάτωσης, της συσσωμάτωσης και του διαχωρισμού φάσεων είναι ζωτικής σημασίας για την προετοιμασία της υδαρούς κοπριάς για την κατασκευή ηλεκτροδίων, ιδίως όταν εμπλέκονται υλικά νανομεγέθους. Τα νανοϋλικά αυξάνουν την ενεργή επιφάνεια των ηλεκτροδίων συσσωρευτών, γεγονός που τους επιτρέπει να απορροφούν περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και να αυξάνουν τη συνολική ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Προκειμένου να αξιοποιηθούν πλήρως τα νανοϋλικά, αυτά τα νανοδομημένα σωματίδια πρέπει να απεμπλακούν και να κατανεμηθούν ως χωριστά σωματίδια στον πολτό ηλεκτροδίων. Η τεχνολογία διασποράς υπερήχων παρέχει εστιασμένες δυνάμεις υψηλής διάτμησης (sonomechnical) καθώς και sonochemical ενέργεια, η οποία οδηγεί σε ανάμιξη ατομικού επιπέδου και συμπλοκοποίηση υλικών νανο-μεγέθους.
Νανοσωματίδια όπως το γραφένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT), τα μέταλλα και τα ορυκτά σπάνιων γαιών πρέπει να διασκορπιστούν ομοιόμορφα σε μια σταθερή υδαρή κοπριά προκειμένου να ληφθούν υλικά ηλεκτροδίων υψηλής λειτουργικότητας.
Για παράδειγμα, το γραφένιο και τα CNTs είναι γνωστό ότι βελτιώνουν την απόδοση των κυψελών μπαταριών, αλλά πρέπει να ξεπεραστεί η συσσώρευση σωματιδίων. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται οπωσδήποτε μια τεχνική διασποράς υψηλής απόδοσης, ικανή να επεξεργάζεται νανοϋλικά και ενδεχομένως υψηλό ιξώδες. Οι υπερήχων τύπου καθετήρα είναι η μέθοδος διασποράς υψηλής απόδοσης, η οποία μπορεί να επεξεργαστεί νανοϋλικά ακόμη και σε υψηλά στερεά φορτία αξιόπιστα και αποτελεσματικά.

Γιατί η κατεργασία με υπερήχους είναι η ανώτερη τεχνική για την επεξεργασία νανοϋλικών;

Όταν άλλες τεχνικές διασποράς και ανάμειξης, όπως μίξερ υψηλής διάτμησης, μύλοι σφαιριδίων ή ομογενοποιητές υψηλής πίεσης έρχονται στα όριά τους, υπερήχους είναι η μέθοδος που ξεχωρίζει για την επεξεργασία μικρον- και νανο-σωματιδίων.
Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος και η υπερηχητικά παραγόμενη ακουστική σπηλαίωση παρέχουν μοναδικές ενεργειακές συνθήκες και εξαιρετική ενεργειακή πυκνότητα που επιτρέπει την αποσυσσωμάτωση ή την απολέπιση νανοϋλικών, τη λειτουργικοποίησή τους, τη σύνθεση νανοδομών σε διαδικασίες από κάτω προς τα πάνω και την προετοιμασία νανοσύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης.
Δεδομένου ότι Hielscher υπερήχων επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο των πιο σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας υπερήχων όπως η ένταση (Ws? mL), πλάτος (μm), θερμοκρασία (ºC? ºF) και πίεση (bar), συνθήκες επεξεργασίας μπορεί να συντονιστεί ξεχωριστά σε βέλτιστες ρυθμίσεις για κάθε υλικό και διαδικασία. Με αυτόν τον τρόπο, οι υπερηχητικοί διασκορπιστές είναι εξαιρετικά ευέλικτοι και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολλές εφαρμογές, π.χ. διασπορά CNT, απολέπιση γραφενίου, sonochemical σύνθεση σωματιδίων κελύφους πυρήνα ή λειτουργικότητα νανοσωματιδίων πυριτίου.

Μικρογραφίες SEM ηχοχημικώς παρασκευασμένου Na0.44MnO2 με πύρωση στους 900°C επί 2 ώρες.(Μελέτη και εικόνα: ©Shinde et al., 2019)

Μάθετε περισσότερα σχετικά με Hielscher βιομηχανική υπερήχων για την επεξεργασία νανοϋλικών στην κατασκευή μπαταριών!

Παρακάτω μπορείτε να βρείτε διάφορες υπερηχητικά καθοδηγούμενες εφαρμογές επεξεργασίας νανοϋλικών:

Υπερήχων σύνθεση νανοσύνθετων υλικών

Υπερήχων σύνθεση γραφενίου-SnO₂ νανοσύνθετο: Η ερευνητική ομάδα των Deosakar et al. (2013) ανέπτυξε μια υπερηχητικά υποβοηθούμενη διαδρομή για την παρασκευή ενός νανοσύνθετου γραφενίου-SnO2. Διερεύνησαν τα αποτελέσματα σπηλαίωσης που παράγονται από υπερήχους υψηλής ισχύος κατά τη σύνθεση σύνθετου γραφενίου-SnO2. Για υπερήχους, χρησιμοποίησαν μια συσκευή Hielscher Ultrasonics. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια υπερηχητικά βελτιωμένη λεπτή και ομοιόμορφη φόρτωση του SnO₂ σε νανοφύλλα γραφενίου με αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής μεταξύ οξειδίου του γραφενίου και SnCl₂·2H₂O σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους σύνθεσης.

Διάγραμμα που δείχνει τη διαδικασία σχηματισμού οξειδίου του γραφενίου και SnO₂–νανοσύνθετο γραφένιο.(Μελέτη και εικόνες: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–το νανοσύνθετο γραφένιο έχει παρασκευαστεί επιτυχώς μέσω μιας νέας και αποτελεσματικής οδού χημικής σύνθεσης με βάση το διάλυμα με υπερήχους και το οξείδιο του γραφενίου μειώθηκε με SnCl₂ σε φύλλα γραφενίου παρουσία HCl. Η ανάλυση TEM δείχνει την ομοιόμορφη και λεπτή φόρτιση του SnO₂ σε νανοφύλλα γραφενίου. Τα αποτελέσματα σπηλαίωσης που παράγονται λόγω της χρήσης ακτινοβολιών υπερήχων έχουν αποδειχθεί ότι εντείνουν το λεπτό και ομοιόμορφο φορτίο του SnO2 σε νανοφύλλα γραφενίου κατά τη διάρκεια της αντίδρασης οξείδωσης-αναγωγής μεταξύ οξειδίου του γραφενίου και SnCl₂·2H₂O. Η εντατικοποιημένη λεπτή και ομοιόμορφη φόρτωση νανοσωματιδίων SnO2 (3-5 nm) σε μειωμένα νανοφύλλα γραφενίου αποδίδεται στην ενισχυμένη πυρήνωση και τη μεταφορά διαλελυμένης ουσίας λόγω σπηλαίωσης που προκαλείται από ακτινοβολίες υπερήχων. Λεπτομερής και ομοιόμορφη φόρτωση SnO₂ Νανοσωματίδια σε νανοφύλλα γραφενίου επιβεβαιώθηκαν επίσης από την ανάλυση TEM. Η εφαρμογή του συνθετικού SnO₂–Αποδεικνύεται νανοσύνθετο γραφένιο ως υλικό ανόδου σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η χωρητικότητα του SnO₂–Η μπαταρία λιθίου με βάση νανοσύνθετο γραφένιο είναι σταθερή για περίπου 120 κύκλους και η μπαταρία μπορεί να επαναλάβει σταθερή αντίδραση φόρτισης-εκφόρτισης. (Deosakar κ.ά., 2013)

Εικόνα TEM του SnO₂–νανοσύνθετο γραφένιο παρασκευασμένο με ηχοχημική μέθοδο. Η ράβδος δείχνει στο (A) 10nm , στο (B) στα 5nm.(Μελέτη και εικόνες: ©Deosakar et al., 2013)

Υπερήχων διασπορά νανοσωματιδίων σε πολτούς μπαταρίας

Διασπορά συστατικών εκλέκτοδων: Οι Waser et al. (2011) παρασκεύασαν ηλεκτρόδια με φωσφορικό σίδηρο λιθίου (LiFePO₄). Η υδαρής κοπριά περιείχε LiFePO4 ως δραστικό υλικό, αιθάλη ως ηλεκτρικά αγώγιμο πρόσθετο, φθοριούχο πολυβινυλιδενοφθορίδιο διαλυμένο σε Ν-μεθυλοπυρρολιδινόνη (NMP) χρησιμοποιήθηκε ως συνδετικό υλικό. Ο λόγος μάζας (μετά την ξήρανση) των AM/CB/PVDF στα ηλεκτρόδια ήταν 83/8,5/8,5. Για την παρασκευή των εναιωρημάτων, όλα τα συστατικά των ηλεκτροδίων αναμίχθηκαν σε NMP με αναδευτήρα υπερήχων (UP200H, Hielscher υπερήχων) για 2 λεπτά στα 200 W και 24 kHz.
Χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και αργή διάχυση ιόντων λιθίου κατά μήκος των μονοδιάστατων καναλιών του LiFePO₄ μπορεί να ξεπεραστεί με την ενσωμάτωση του LiFePO₄ σε αγώγιμη μήτρα, π.χ. αιθάλη. Καθώς τα σωματίδια νανομεγέθους και οι δομές σωματιδίων πυρήνα-κελύφους βελτιώνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα, η τεχνολογία διασποράς υπερήχων και η sonochemical σύνθεση σωματιδίων πυρήνα-κελύφους επιτρέπουν την παραγωγή ανώτερων νανοσύνθετων υλικών για εφαρμογές μπαταριών.

Διασπορά φωσφορικού σιδήρου λιθίου: Η ερευνητική ομάδα του Hagberg (Hagberg et al., 2018) χρησιμοποίησε το υπερήχων UP100H για τη διαδικασία δομικού θετικού ηλεκτροδίου που αποτελείται από ίνες άνθρακα επικαλυμμένες με φωσφορικό σίδηρο λιθίου (LFP). Οι ίνες άνθρακα είναι συνεχείς, αυτόνομες ρυμουλκήσεις που λειτουργούν ως συλλέκτες ρεύματος και παρέχουν μηχανική ακαμψία και αντοχή. Για βέλτιστη απόδοση, οι ίνες επικαλύπτονται μεμονωμένα, π.χ. χρησιμοποιώντας ηλεκτροφορητική εναπόθεση.
Δοκιμάστηκαν διαφορετικές αναλογίες βάρους μειγμάτων αποτελούμενων από LFP, CB και PVDF. Αυτά τα μείγματα επικαλύφθηκαν με ίνες άνθρακα. Δεδομένου ότι η ανομοιογενής κατανομή στις συνθέσεις λουτρών επικάλυψης μπορεί να διαφέρει από τη σύνθεση στην ίδια την επικάλυψη, χρησιμοποιείται αυστηρή ανάδευση με υπερήχους για την ελαχιστοποίηση της διαφοράς.
Σημείωσαν ότι τα σωματίδια είναι σχετικά καλά διασκορπισμένα σε όλη την επικάλυψη, η οποία αποδίδεται στη χρήση επιφανειοδραστικού (Triton X-100) και στο βήμα υπερήχων πριν από την ηλεκτροφορητική εναπόθεση.

Εικόνες SEM διατομής και υψηλής μεγέθυνσης από ανθρακονήματα επικαλυμμένα με EPD. Το μείγμα LFP, CB και PVDF ομογενοποιήθηκε υπερηχητικά χρησιμοποιώντας το υπερήχων UP100H. Μεγεθύνσεις: α) 0.8kx, β) 0.8kx, γ) 1.5kx, δ) 30kx.(Μελέτη και εικόνα: ©Hagberg et al., 2018)

Διασπορά LiNi_0.5Μν_1.5O₄ σύνθετο υλικό καθόδου:
Οι Vidal et al. (2013) διερεύνησαν την επίδραση των σταδίων επεξεργασίας όπως η υπερήχηση, η πίεση και η σύνθεση υλικού για το LiNi_0.5Μν_1.5O₄σύνθετες κάθοδοι.
Θετικά σύνθετα ηλεκτρόδια με LiNi_0.5 Μν_1.5O4 σπινέλιο ως δραστικό υλικό, ένα μείγμα γραφίτη και αιθάλης για την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του ηλεκτροδίου και είτε πολυβινυλοδενοφθορίδιο (PVDF) είτε μείγμα PVDF με μικρή ποσότητα τεφλόν® (1 κ.β.) για τη δημιουργία του ηλεκτροδίου. Έχουν υποστεί επεξεργασία με χύτευση ταινίας σε αλουμινόχαρτο ως συλλέκτης ρεύματος χρησιμοποιώντας την τεχνική λεπίδας γιατρού. Επιπλέον, τα μείγματα συστατικών είτε υπερήχων είτε όχι, και τα επεξεργασμένα ηλεκτρόδια συμπιέστηκαν ή όχι υπό επακόλουθη ψυχρή πίεση. Έχουν δοκιμαστεί δύο σκευάσματα:
A-Σκεύασμα (χωρίς τεφλόν):® 78 wt% LiNi_0.5 Μν_1.5Ο4; 7,5 κ.β. Αιθάλη; 2,5% κ.β. γραφίτης· 12% κ.β. PVDF
Β-σύνθεση (με τεφλόν®): 78wt% LiNi0_0.5Μν_1.5Ο4; 7.5wt% αιθάλη; 2,5% κ.β. γραφίτης· 11 κ.β. PVDF· 1 % κ.β. τεφλόν®
Και στις δύο περιπτώσεις, τα συστατικά αναμίχθηκαν και διασκορπίστηκαν σε Ν-μεθυλοπυρρολιδινόνη (NMP). Λίνη_0.5 Μν_1.5Το σπινέλιο O4 (2g) μαζί με τα άλλα συστατικά στα προαναφερθέντα ποσοστά που είχαν ήδη καθοριστεί διασκορπίστηκε σε 11 ml NMP. Σε ορισμένες συγκεκριμένες περιπτώσεις, το μείγμα υποβλήθηκε σε υπερήχους για 25 λεπτά και στη συνέχεια αναδεύτηκε σε θερμοκρασία δωματίου για 48 ώρες. Σε κάποιες άλλες, το μείγμα απλώς αναδεύτηκε σε θερμοκρασία δωματίου για 48 ώρες, δηλαδή χωρίς υπερήχους. Η επεξεργασία με υπερήχους προάγει μια ομοιογενή διασπορά των συστατικών των ηλεκτροδίων και το ηλεκτρόδιο LNMS που λαμβάνεται φαίνεται πιο ομοιόμορφο.
Σύνθετα ηλεκτρόδια με μεγάλο βάρος, μέχρι 17mg/cm2, παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν ως θετικά ηλεκτρόδια για μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η προσθήκη τεφλόν® και η εφαρμογή της επεξεργασίας με υπερήχους οδηγούν σε ομοιόμορφα ηλεκτρόδια που είναι καλά προσκολλημένα στο φύλλο αλουμινίου. Και οι δύο παράμετροι συμβάλλουν στη βελτίωση της χωρητικότητας που αποστραγγίζεται σε υψηλές ταχύτητες (5C). Η πρόσθετη συμπύκνωση των συγκροτημάτων ηλεκτροδίων/αλουμινίου ενισχύει αξιοσημείωτα τις δυνατότητες ρυθμού ηλεκτροδίων. Σε ρυθμό 5C, αξιοσημείωτες κατακρατήσεις χωρητικότητας μεταξύ 80% και 90% βρίσκονται για ηλεκτρόδια με βάρη στην περιοχή 3-17mg/cm², με τεφλόν® στη σύνθεσή τους, παρασκευασμένα μετά από υπερήχηση των μειγμάτων συστατικών τους και συμπιεσμένα κάτω από 2 τόνους/cm².
Συνοπτικά, τα ηλεκτρόδια που έχουν 1% κοβ% τεφλόν® στη σύνθεσή τους, τα μείγματα συστατικών τους που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με υπερήχους, συμπιεσμένα σε 2 τόνους? cm2 και με βάρη στην περιοχή 2,7-17 mg? cm2 έδειξαν αξιοσημείωτη ικανότητα ρυθμού. Ακόμη και στο υψηλό ρεύμα των 5C, η κανονικοποιημένη ικανότητα εκφόρτισης ήταν μεταξύ 80% και 90% για όλα αυτά τα ηλεκτρόδια. (πρβλ. Vidal et al., 2013)

Υψηλής απόδοσης υπερήχων διασκορπιστές για την παραγωγή μπαταριών

Hielscher Υπέρηχοι σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει υψηλής ισχύος, υψηλής απόδοσης υπερήχων εξοπλισμό, η οποία χρησιμοποιείται για την επεξεργασία καθόδου, ανόδου, και ηλεκτρολυτών υλικά για χρήση σε μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB), μπαταρίες ιόντων νατρίου (NIB), και άλλες κυψέλες μπαταριών. Hielscher υπερήχων συστήματα χρησιμοποιούνται συνθέτουν νανοσύνθετα, λειτουργούν νανοσωματίδια, και διασκορπίζουν νανοϋλικά σε ομοιογενή, σταθερά εναιωρήματα.
Προσφέροντας ένα χαρτοφυλάκιο από εργαστήριο σε πλήρως βιομηχανική κλίμακα υπερήχων επεξεργαστές, Hielscher είναι ο ηγέτης της αγοράς για υψηλής απόδοσης διασκορπιστές υπερήχων. Δουλεύοντας από περισσότερα από 30 χρόνια στον τομέα της σύνθεσης νανοϋλικών και της μείωσης του μεγέθους, Hielscher Υπέρηχοι έχει μεγάλη εμπειρία στην επεξεργασία νανοσωματιδίων υπερήχων και προσφέρει τους πιο ισχυρούς και αξιόπιστους επεξεργαστές υπερήχων στην αγορά. Η γερμανική μηχανική παρέχει τεχνολογία αιχμής και ισχυρή ποιότητα.
Προηγμένη τεχνολογία, υψηλής απόδοσης και εξελιγμένο λογισμικό μετατρέψει Hielscher υπερήχων σε αξιόπιστα άλογα εργασίας στη διαδικασία κατασκευής ηλεκτροδίων σας. Όλα τα συστήματα υπερήχων κατασκευάζονται στην έδρα στο Teltow της Γερμανίας, ελέγχονται για ποιότητα και ευρωστία και στη συνέχεια διανέμονται από τη Γερμανία σε όλο τον κόσμο.
Το εξελιγμένο υλικό και το έξυπνο λογισμικό των υπερήχων Hielscher έχουν σχεδιαστεί για να εγγυώνται αξιόπιστη λειτουργία, αναπαραγώγιμα αποτελέσματα καθώς και φιλικότητα προς το χρήστη. Οι υπερήχων Hielscher είναι ισχυροί και συνεπείς στην απόδοση, γεγονός που επιτρέπει την εγκατάστασή τους σε απαιτητικά περιβάλλοντα και τη λειτουργία τους υπό συνθήκες βαρέως τύπου. Οι ρυθμίσεις λειτουργίας είναι εύκολα προσβάσιμες και καλούνται μέσω διαισθητικού μενού, στο οποίο μπορείτε να έχετε πρόσβαση μέσω ψηφιακής έγχρωμης οθόνης αφής και τηλεχειριστηρίου προγράμματος περιήγησης. Επομένως, όλες οι συνθήκες επεξεργασίας όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να αναθεωρήσετε και να συγκρίνετε προηγούμενες εκτελέσεις υπερήχων και να βελτιστοποιήσετε τη σύνθεση, τη λειτουργικότητα και τη διασπορά νανοϋλικών και σύνθετων υλικών στην υψηλότερη απόδοση.
Hielscher συστήματα υπερήχων χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για sonochemical σύνθεση των νανοϋλικών και έχουν αποδειχθεί αξιόπιστα για τη διασπορά των νανοσωματιδίων σε σταθερά κολλοειδή εναιωρήματα. Hielscher βιομηχανική υπερήχων μπορεί να τρέχει συνεχώς μεγάλα πλάτη και είναι κατασκευασμένα για 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Πλάτη μέχρι 200μm μπορούν εύκολα να δημιουργηθούν συνεχώς με τυποποιημένα sonotrodes (υπερηχητικοί ανιχνευτές? κέρατα). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes.
Hielscher υπερήχων επεξεργαστές για sonochemical σύνθεση, λειτουργικότητα, νανο-δομή και αποσυσσωμάτωση έχουν ήδη εγκατασταθεί παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε το βήμα της διαδικασίας σας που περιλαμβάνει νανοϋλικά για την κατασκευή μπαταριών! Το έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να μοιραστεί περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τα ανώτερα αποτελέσματα διασποράς, τα συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης και την τιμολόγηση!
Με το πλεονέκτημα της υπερήχων, προηγμένη παραγωγή ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών σας θα υπερέχει στην αποτελεσματικότητα, απλότητα και χαμηλό κόστος σε σύγκριση με άλλους κατασκευαστές ηλεκτροδίων!

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: