Síntesis sonoquímica de materiales de electrodos para la fabricación de baterías

En la producción de celdas de batería de alto rendimiento, los materiales nanoestructurados y los nanocompuestos desempeñan un papel importante al proporcionar una conductividad eléctrica superior, densidades de almacenamiento más altas, alta capacidad y fiabilidad. Con el fin de lograr todas las funcionalidades de los nanomateriales, las nanopartículas deben dispersarse o exfoliarse individualmente y pueden necesitar pasos de procesamiento adicionales, como la funcionalización. El nanoprocesamiento ultrasónico es la técnica superior, eficaz y fiable para producir nanomateriales y nanocompuestos de alto rendimiento para la producción avanzada de baterías.

Dispersión ultrasónica de materiales electroquímicamente activos en lodos de electrodos

Los nanomateriales se utilizan como materiales de electrodos innovadores, lo que ha mejorado significativamente el rendimiento de las baterías 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 baterías, lo que les permite absorber más energía durante los ciclos de carga y aumentar su capacidad general de almacenamiento de energía. Con el fin de obtener todas las ventajas de los nanomateriales, estas partículas nanoestructuradas deben desentrelazarse y distribuirse como partículas separadas en la suspensión de electrodos. La tecnología de dispersión ultrasónica proporciona fuerzas focalizadas de alto cizallamiento (sonomecánicas), así como energía sonoquímica, lo que conduce a la mezcla a nivel atómico y a la complejación de 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 suspensión estable para obtener materiales de electrodos altamente funcionales.
Por ejemplo, el grafeno y los CNT son bien conocidos por mejorar el rendimiento de las celdas de las baterías, 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 de altas viscosidades. 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 micras y nanopartículas.
Los ultrasonidos de alta potencia y la cavitación acústica generada por ultrasonidos proporcionan condiciones energéticas únicas y una densidad de energía extrema que permite desaglomerar o exfoliar nanomateriales, funcionalizarlos, sintetizar nanoestructuras en procesos ascendentes y preparar nanocompuestos de alto rendimiento.
Dado que los ultrasonidos de Hielscher permiten el control preciso de los parámetros de procesamiento ultrasónico más importantes, como la intensidad (Ws/mL), la amplitud (μm), la temperatura (ºC/ºF) y la presión (bar), las condiciones de procesamiento pueden ajustarse individualmente a los ajustes óptimos para cada material y proceso. De este modo, los dispersores ultrasónicos son muy versátiles y pueden utilizarse para numerosas aplicaciones, por ejemplo, la dispersión de CNT, la exfoliación de grafeno, la síntesis sonoquímica de partículas de la carcasa del núcleo o la funcionalización de nanopartículas de silicio.

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

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

A continuación puede encontrar varias aplicaciones del procesamiento de nanomateriales impulsadas 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 los ultrasonidos de alta potencia durante la síntesis del compuesto de grafeno-SnO2. Para la sonicación, utilizaron un dispositivo Hielscher Ultrasonics. Los resultados demuestran una carga fina y uniforme de SnO mejorada por ultrasonidos₂ en nanohojas de grafeno por 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–el nanocompuesto de grafeno se ha preparado con éxito mediante una nueva y eficaz vía de síntesis química basada en soluciones asistidas por ultrasonidos, y el óxido de grafeno se ha reducido mediante SnCl₂ a láminas de grafeno en presencia de HCl. El análisis TEM muestra la carga uniforme y fina de SnO.₂ en nanohojas de grafeno. Se ha demostrado que los efectos cavitacionales producidos por el uso de irradiaciones ultrasónicas intensifican la carga fina y uniforme de SnO2 en las nanoláminas 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 las nanopartículas de SnO2 (3-5 nm) en nanoláminas de grafeno reducidas se atribuye a la mejora de la nucleación y la transferencia de solutos debido al efecto cavitacional inducido por las irradiaciones ultrasónicas. Carga fina y uniforme de SnO₂ Las nanopartículas en nanohojas de grafeno también se confirmaron a partir del análisis TEM. La aplicación de SnO sintetizado₂–Se demuestra el nanocompuesto de grafeno como material anódico en baterías de iones de litio. La capacidad de SnO₂–La batería de litio basada en nanocompuestos 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 en (A) 10 nm, en (B) a 5 nm.
(Estudio e imágenes: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersión ultrasónica de nanopartículas en lodos de baterías

Dispersión de los componentes del electrodo: Waser et al. (2011) prepararon electrodos con fosfato de hierro y litio (LiFePO₄). La suspensión contenía LiFePO4 como material activo, negro de humo como aditivo conductor de electricidad, se utilizó fluoruro de polivinilideno disuelto en N-metilpirrolidinona (NMP) como aglutinante. La relación de masa (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 Ultrasonics) durante 2 min a 200 W y 24 kHz.
Baja conductividad eléctrica y lenta difusión de iones de litio a lo largo de los canales unidimensionales de LiFePO₄ se puede superar mediante la incorporación de LiFePO₄ en una matriz conductora, por ejemplo, negro de humo. A medida que las partículas de tamaño nanométrico y las estructuras de partículas core-shell mejoran la conductividad eléctrica, la tecnología de dispersión ultrasónica y la síntesis sonoquímica de partículas core-shell 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 el ultrasonidos UP100H para el procedimiento de electrodo positivo estructural que consiste en fibras de carbono recubiertas de fosfato de hierro y litio (LFP). Las fibras de carbono son remolques continuos y autónomos que actúan como colectores de corriente y proporcionarán rigidez mecánica y resistencia. Para un rendimiento óptimo, las fibras se recubren individualmente, por ejemplo, mediante deposición electroforética.
Se probaron diferentes relaciones de peso de mezclas compuestas por LFP, CB y PVDF. Estas mezclas se recubrieron con fibras de carbono. Dado que la distribución no homogénea en las composiciones del baño de recubrimiento puede diferir de la composición en el 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 a la etapa de ultrasonidos previa a la deposición electroforética.

Imágenes SEM de sección transversal y gran aumento de fibras de carbono recubiertas de 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 compuesto del cátodo:
Vidal et al. (2013) investigaron la influencia de los pasos de procesamiento, como la sonicación, la presión y la composición del material, para el 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 de 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 minutos y luego se agitó a temperatura ambiente durante 48 h. En algunos otros, la mezcla se limitó a agitar a temperatura ambiente durante 48 h, es decir, sin ninguna sonicación. El tratamiento de sonicación promueve una dispersión homogénea de los componentes del electrodo y el electrodo LNMS 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/cm², con teflón® en su formulación, preparado tras la sonicación de sus mezclas de componentes y compactado a menos de 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 de cátodos, ánodos y electrolitos 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.
Con una gama que va desde el laboratorio hasta los procesadores ultrasónicos a escala industrial, Hielscher es el líder del mercado de dispersores de ultrasonidos de alto rendimiento. 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 ofrece tecnología de 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 ultrasónicos se fabrican en la sede central de Teltow (Alemania), se someten a pruebas de calidad y robustez y se distribuyen desde Alemania a todo el mundo.
El sofisticado hardware y el software inteligente de los ultrasonidos de Hielscher están diseñados para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ultrasonidos de Hielscher son robustos y de rendimiento constante, lo que permite instalarlos en entornos exigentes y utilizarlos en condiciones de trabajo pesado. Se puede acceder fácilmente a los ajustes operativos y marcarlos a través de un menú intuitivo, al que se puede acceder a través de una pantalla táctil digital en color y un control remoto del navegador. Por lo tanto, 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 incorporada. Esto le permite revisar y comparar las ejecuciones de sonicación anteriores y optimizar la síntesis, funcionalización y dispersión de nanomateriales y compuestos con la máxima eficiencia.
Los sistemas ultrasónicos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la síntesis sonoquímica de nanomateriales y han demostrado ser fiables para la dispersión de nanopartículas en suspensiones coloidales estables. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden funcionar de forma continua a altas amplitudes y están construidos para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Amplitudes de hasta 200 μm se pueden generar fácilmente de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / bocinas). Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.
Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para la síntesis sonoquímica, la funcionalización, la nanoestructuración y la desaglomeración ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros ahora para hablar de su paso de proceso con nanomateriales para la fabricación de baterías. Nuestro experimentado personal estará encantado de compartir más información sobre los resultados superiores 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 eficiencia, simplicidad 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: