Síntesis sonoquímica de materiales de electrodos para la fabricación de baterías

En la producción de pilas de alto rendimiento, los materiales nanoestructurados y los nanocompuestos desempeñan un papel importante al proporcionar una conductividad eléctrica superior, mayores densidades de almacenamiento, alta capacidad y fiabilidad. Para obtener todas las funcionalidades de los nanomateriales, las nanopartículas deben dispersarse o exfoliarse individualmente y pueden necesitar otros pasos de procesamiento, como la funcionalización. El nanoprocesamiento por ultrasonidos es una técnica superior, eficaz y fiable para producir nanomateriales y nanocompuestos de alto rendimiento destinados a la fabricación de baterías avanzadas.

Dispersión ultrasónica de materiales electroquímicamente activos en lodos de electrodos

Los nanomateriales se utilizan como materiales innovadores para electrodos, lo que ha mejorado notablemente el rendimiento de las pilas recargables. Superar la aglomeración, la agregación y la separación de fases es crucial para la preparación de lodos para la fabricación de electrodos, especialmente cuando se trata de materiales de tamaño nanométrico. Los nanomateriales aumentan la superficie activa de los electrodos de las pilas, lo que les permite absorber más energía durante los ciclos de carga y aumentar su capacidad total de almacenamiento de energía. Para obtener todas las ventajas de los nanomateriales, estas partículas nanoestructuradas deben desentrañarse y distribuirse como partículas separadas en la pasta del electrodo. La tecnología de dispersión por ultrasonidos proporciona fuerzas focalizadas de alto cizallamiento (sonotécnicas), así como energía sonoquímica, que conducen a la mezcla a nivel atómico y a la complejación de los materiales de tamaño nanométrico.
Las nanopartículas como el grafeno, los nanotubos de carbono (CNT), los metales y los minerales de tierras raras deben dispersarse uniformemente en una pasta estable para obtener materiales de electrodos altamente funcionales.
Por ejemplo, es bien sabido que el grafeno y los CNT mejoran el rendimiento de las pilas, pero hay que superar la aglomeración de partículas. Esto significa que es absolutamente necesaria una técnica de dispersión de alto rendimiento, capaz de procesar nanomateriales y posiblemente viscosidades elevadas. Los ultrasonidos de tipo sonda son el método de dispersión de alto rendimiento que puede procesar nanomateriales incluso con altas cargas sólidas de forma fiable y eficaz.

¿Por qué la sonicación es la técnica superior para el procesamiento de nanomateriales?

Cuando otras técnicas de dispersión y mezcla, como los mezcladores de alto cizallamiento, los molinos de bolas o los homogeneizadores de alta presión llegan a sus límites, la ultrasonicación es el método que destaca para el procesamiento de micropartículas y nanopartículas.
Los ultrasonidos de alta potencia y la cavitación acústica generada por ultrasonidos proporcionan unas condiciones energéticas únicas y una densidad energética extrema que permiten desaglomerar o exfoliar nanomateriales, funcionalizarlos, sintetizar nanoestructuras en procesos ascendentes y preparar nanocomposites de alto rendimiento.
Dado que los ultrasonidos de Hielscher permiten un control preciso de los parámetros de procesado por ultrasonidos más importantes, como la intensidad (Ws/mL), la amplitud (µm), la temperatura (ºC/ºF) y la presión (bar), las condiciones de procesado pueden ajustarse individualmente a los parámetros óptimos para cada material y proceso. De este modo, los dispersores ultrasónicos son muy versátiles y pueden utilizarse para numerosas aplicaciones, como la dispersión de CNT, la exfoliación de grafeno, la síntesis sonoquímica de partículas con núcleo o la funcionalización de nanopartículas de silicio.

Micrografías SEM de Na0.44MnO2 preparado sonoquímicamente por calcinación a 900°C durante 2 h.
(Estudio e imagen: ©Shinde et al., 2019)

Obtenga más información sobre los ultrasonidos industriales de Hielscher para el procesamiento de nanomateriales en la fabricación de baterías.

A continuación encontrará diversas aplicaciones del procesamiento de nanomateriales por ultrasonidos:

Síntesis ultrasónica de nanocompuestos

Síntesis ultrasónica de grafeno-SnO₂ nanocompuesto: El equipo de investigación de Deosakar et al. (2013) desarrolló una ruta asistida por ultrasonidos para preparar un nanocompuesto de grafeno-SnO2. Investigaron los efectos cavitacionales generados por ultrasonidos de alta potencia durante la síntesis del compuesto grafeno-SnO2. Para la sonicación, utilizaron un dispositivo de ultrasonidos Hielscher. Los resultados demuestran una carga fina y uniforme de SnO₂ sobre nanohojas de grafeno mediante reacción de oxidación-reducción entre óxido de grafeno y SnCl₂-2H₂O en comparación con los métodos de síntesis convencionales.

Gráfico que muestra el proceso de formación de óxido de grafeno y SnO₂-nanocompuesto de grafeno.
(Estudio e imágenes: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-Se ha preparado con éxito un nanocompuesto de grafeno mediante una novedosa y eficaz ruta de síntesis química en solución asistida por ultrasonidos y se redujo el óxido de grafeno mediante SnCl₂ a láminas de grafeno en presencia de HCl. El análisis TEM muestra la carga uniforme y fina de SnO₂ en nanohojas de grafeno. Se ha demostrado que los efectos cavitacionales producidos debido al uso de irradiaciones ultrasónicas intensifican la carga fina y uniforme de SnO2 en las nanohojas de grafeno durante la reacción de oxidación-reducción entre el óxido de grafeno y el SnCl₂-2H₂O. La intensificación de la carga fina y uniforme de nanopartículas de SnO2 (3-5 nm) sobre nanohojas de grafeno reducido se atribuye a la mejora de la nucleación y la transferencia de solutos debido al efecto de cavitación inducido por las irradiaciones ultrasónicas. La carga fina y uniforme de SnO₂ sobre nanohojas de grafeno también se confirmó mediante análisis TEM. La aplicación de las nanopartículas de SnO₂-como material anódico en baterías de iones de litio. La capacidad del SnO₂-La batería de litio basada en un nanocompuesto de grafeno es estable durante unos 120 ciclos, y la batería podría repetir una reacción de carga-descarga estable. (Deosakar et al., 2013)

Imagen TEM de SnO₂-nanocompuesto de grafeno preparado por método sonoquímico. La barra indica (A) 10 nm y (B) 5 nm.
(Estudio e imágenes: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersión ultrasónica de nanopartículas en lodos de baterías

Dispersión de los componentes del electodo: Waser et al. (2011) prepararon electrodos con fosfato de hierro y litio (LiFePO₄). La pasta contenía LiFePO4 como material activo, negro de humo como aditivo conductor de la electricidad y fluoruro de polivinilideno disuelto en N-metilpirrolidinona (NMP) como aglutinante. La relación de masas (después del secado) de AM/CB/PVDF en los electrodos fue de 83/8,5/8,5. Para preparar las suspensiones, todos los componentes del electrodo se mezclaron en NMP con un agitador ultrasónico (UP200H, Hielscher Ultrasonidos) durante 2 min a 200 W y 24 kHz.
Baja conductividad eléctrica y lenta difusión del Li-ion a lo largo de los canales unidimensionales de LiFePO₄ puede superarse incrustando LiFePO₄ en una matriz conductora, por ejemplo, negro de humo. Como las partículas de tamaño nanométrico y las estructuras de partículas con núcleo mejoran la conductividad eléctrica, la tecnología de dispersión ultrasónica y la síntesis sonoquímica de partículas con núcleo permiten producir nanocompuestos superiores para aplicaciones de baterías.

Dispersión de fosfato de hierro y litio: El equipo de investigación de Hagberg (Hagberg et al., 2018) utilizó la ultrasonidos UP100H para el procedimiento de electrodo positivo estructural consistente en fibras de carbono recubiertas de fosfato de hierro y litio (LFP). Las fibras de carbono son continuas, autoportantes, que actúan como colectores de corriente y proporcionan rigidez y resistencia mecánicas. Para un rendimiento óptimo, las fibras se recubren individualmente, por ejemplo, mediante deposición electroforética.
Se ensayaron diferentes proporciones en peso de mezclas compuestas por LFP, CB y PVDF. Estas mezclas se recubrieron sobre fibras de carbono. Dado que la distribución no homogénea en las composiciones del baño de recubrimiento puede diferir de la composición del propio recubrimiento, se utiliza una agitación rigurosa por ultrasonidos para minimizar la diferencia.
Observaron que las partículas están relativamente bien dispersas por todo el recubrimiento, lo que se atribuye al uso de tensioactivo (Triton X-100) y al paso de ultrasonidos previo a la deposición electroforética.

Sección transversal e imágenes SEM de gran aumento de las fibras de carbono recubiertas con EPD. La mezcla de LFP, CB y PVDF se homogeneizó por ultrasonidos utilizando el ultrasonidos UP100H. Aumentos: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Estudio e imagen: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersión de LiNi_0,5Mn_1,5O₄ material de cátodo compuesto:
Vidal et al. (2013) investigaron la influencia de etapas de procesamiento como la sonicación, la presión y la composición del material para LiNi_0,5Mn_1,5O₄cátodos compuestos.
Electrodos compuestos positivos con LiNi_0,5 Mn_1,5O4 como material activo, una mezcla de grafito y negro de humo para aumentar la conductividad eléctrica del electrodo y polivinildenefluoruro (PVDF) o una mezcla de PVDF con una pequeña cantidad de Teflon® (1 % en peso) para construir el electrodo. Se han procesado mediante colado en cinta sobre una lámina de aluminio como colector de corriente utilizando la técnica de rasqueta. Además, las mezclas de componentes se han sonicado o no, y los electrodos procesados se han compactado o no mediante un posterior prensado en frío. Se han ensayado dos formulaciones:
Formulación A (sin Teflon®): 78 % en peso de LiNi_0,5 Mn_1,5O4; 7,5 % en peso Negro de humo; 2,5 % en peso Grafito; 12 % en peso PVDF
Formulación B (con Teflon®): 78wt% LiNi0_0,5Mn_1,5O4; 7,5 % en peso de negro de humo; 2,5 % en peso de grafito; 11 % en peso de PVDF; 1 % en peso de Teflon
En ambos casos, los componentes se mezclaron y dispersaron en N-metilpirrolidinona (NMP). LiNi_0,5 Mn_1,5La espinela O4 (2 g) junto con los demás componentes en los porcentajes mencionados ya establecidos se dispersó en 11 ml de NMP. En algunos casos particulares, la mezcla se sonicó durante 25 min y luego se agitó a temperatura ambiente durante 48 h. En otros, la mezcla se agitó simplemente a temperatura ambiente durante 48 h, es decir, sin sonicación. El tratamiento de sonicación favorece una dispersión homogénea de los componentes del electrodo y el LNMS-electrodo obtenido tiene un aspecto más uniforme.
Se prepararon y estudiaron electrodos compuestos con un peso elevado, de hasta 17mg/cm2, como electrodos positivos para baterías de iones de litio. La adición de Teflon® y la aplicación del tratamiento de sonicación dan lugar a electrodos uniformes y bien adheridos a la lámina de aluminio. Ambos parámetros contribuyen a mejorar la capacidad drenada a altas velocidades (5C). La compactación adicional de los conjuntos electrodo/aluminio mejora notablemente las capacidades de velocidad del electrodo. A una tasa de 5C, se observan notables retenciones de capacidad de entre el 80% y el 90% para electrodos con pesos en el rango de 3-17mg/cm²con Teflon® en su formulación, preparados tras sonicación de sus mezclas componentes y compactados bajo 2 toneladas/cm².
En resumen, los electrodos con un 1% en peso de Teflon® en su formulación, sus mezclas de componentes sometidas a un tratamiento de sonicación, compactados a 2 toneladas/cm2 y con pesos en el rango de 2,7-17 mg/cm2 mostraron una notable capacidad de velocidad. Incluso a la elevada corriente de 5C, la capacidad de descarga normalizada se situó entre el 80% y el 90% para todos estos electrodos. (cf. Vidal et al., 2013)

Dispersores ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de baterías

Hielscher Ultrasonics diseña, fabrica y distribuye equipos ultrasónicos de alta potencia y alto rendimiento, que se utilizan para procesar materiales catódicos, anódicos y electrolíticos para su uso en baterías de iones de litio (LIB), baterías de iones de sodio (NIB) y otras celdas de baterías. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher se utilizan para sintetizar nanocompuestos, funcionalizar nanopartículas y dispersar nanomateriales en suspensiones homogéneas y estables.
Hielscher es el líder del mercado de dispersores por ultrasonidos de alto rendimiento y ofrece una gama que abarca desde procesadores de ultrasonidos de laboratorio hasta procesadores totalmente industriales. Trabajando desde hace más de 30 años en el campo de la síntesis de nanomateriales y la reducción de tamaño, Hielscher Ultrasonics tiene una amplia experiencia en el procesamiento ultrasónico de nanopartículas y ofrece los procesadores ultrasónicos más potentes y fiables del mercado. La ingeniería alemana proporciona tecnología punta y una calidad robusta.
La tecnología avanzada, el alto rendimiento y el sofisticado software convierten a los ultrasonidos de Hielscher en caballos de batalla fiables en su proceso de fabricación de electrodos. Todos los sistemas de ultrasonidos se fabrican en la sede central de Teltow (Alemania), se comprueba su calidad y robustez y se distribuyen desde Alemania a todo el mundo.
El sofisticado hardware y el software inteligente de los ultrasonidos Hielscher están diseñados para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ultrasonicadores de Hielscher son robustos y de rendimiento constante, lo que permite instalarlos en entornos exigentes y utilizarlos en condiciones de servicio pesado. Se puede acceder fácilmente a los ajustes operativos y marcarlos a través de un menú intuitivo, al que se puede acceder mediante una pantalla táctil digital en color y un mando a distancia con navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto permite revisar y comparar procesos de sonicación anteriores y optimizar la síntesis, funcionalización y dispersión de nanomateriales y composites con la máxima eficacia.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la síntesis sonoquímica de nanomateriales y han demostrado su fiabilidad para la dispersión de nanopartículas en suspensiones coloidales estables. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden funcionar continuamente con amplitudes elevadas y están diseñados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente generadas de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / cuernos). Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para síntesis sonoquímica, funcionalización, nanoestructuración y desaglomeración ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros para hablar de su proceso con nanomateriales para la fabricación de baterías. Nuestro experimentado personal estará encantado de facilitarle más información sobre los excelentes resultados de dispersión, los sistemas ultrasónicos de alto rendimiento y los precios.
Con la ventaja de la ultrasonicación, su producción avanzada de electrodos y electrolitos destacará por su eficacia, sencillez y bajo coste en comparación con otros fabricantes de electrodos.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: