Síntesis sonoquímica de materiales de electrodos para la producción 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 ser dispersadas o exfoliadas 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 para la producción de baterías avanzadas.

Dispersión ultrasónica de materiales electroquímicamente activos en lodos de electrodos

Los nanomateriales se utilizan como materiales innovadores para los electrodos, lo que ha permitido mejorar considerablemente 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 global de almacenamiento de energía. Para obtener todas las ventajas de los nanomateriales, estas partículas nanoestructuradas deben desentrañarse y distribuirse como partículas separadas en la lechada del electrodo. La tecnología de dispersión por ultrasonidos proporciona fuerzas focalizadas de alto cizallamiento (sonotécnicas), así como energía sonoquímica, que conduce a la mezcla a nivel atómico y a la complejización 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, se sabe 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 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 micropartículas y nanopartículas.
Los ultrasonidos de alta potencia y la cavitación acústica generada por ultrasonidos proporcionan unas condiciones energéticas únicas y una densidad de energía extrema que permiten 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 por ultrasonidos 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 para conseguir 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 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)

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

A continuación encontrará varias aplicaciones de 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 de cavitación generados por ultrasonidos de alta potencia durante la síntesis del compuesto de grafeno-SnO2. Para la sonicación, utilizaron un dispositivo de Hielscher Ultrasonics. Los resultados demuestran una carga fina y uniforme de SnO₂ sobre nanohojas de grafeno mediante una reacción de oxidación-reducción entre el óxido de grafeno y el 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 asistida por ultrasonidos y el óxido de grafeno se redujo mediante SnCl₂ a las láminas de grafeno en presencia de HCl. El análisis TEM muestra la carga uniforme y fina de SnO₂ en las nanohojas de grafeno. Se ha demostrado que los efectos de cavitación 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 carga fina y uniforme intensificada de las nanopartículas de SnO2 (3-5 nm) en las nanohojas de grafeno reducidas se atribuye a la nucleación mejorada y a 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 a partir del análisis TEM. La aplicación del SnO₂-como material anódico en baterías de iones de litio. La capacidad del SnO₂-La batería de Li basada en un nanocompuesto de grafeno es estable durante unos 120 ciclos, y la batería podría repetir la reacción de carga-descarga estable. (Deosakar et al., 2013)

Imagen TEM de SnO₂-Nanocompuesto de grafeno preparado por el método sonoquímico. La barra indica en (A) 10nm , en (B) en 5nm.
(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 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 (tras el secado) de AM/CB/PVDF en los electrodos fue de 83/8,5/8,5. Para preparar las suspensiones, se mezclaron todos los componentes del electrodo en NMP con un agitador ultrasónico (UP200H, Hielscher Ultrasonics) durante 2 minutos 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 puede superarse incrustando LiFePO₄ en una matriz conductora, por ejemplo, el negro de humo. Dado que las partículas de tamaño nanométrico y las estructuras de partículas con núcleo mejoran la conductividad eléctrica, la tecnología de dispersión por ultrasonidos y la síntesis sonoquímica de partículas con núcleo permiten producir nanocompuestos superiores para aplicaciones de baterías.

Dispersión del 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 consistente en fibras de carbono recubiertas de fosfato de hierro y litio (LFP). Las fibras de carbono son hilos continuos y autónomos que actúan como colectores de corriente y proporcionan rigidez y resistencia mecánica. Para obtener un rendimiento óptimo, las fibras se recubren individualmente, por ejemplo, mediante deposición electroforética.
Se probaron diferentes proporciones de 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 podría diferir de la composición en el propio recubrimiento, se utilizó una agitación rigurosa por ultrasonidos para minimizar la diferencia.
Observaron que las partículas están relativamente bien dispersas en todo el recubrimiento, lo que se atribuye al uso de tensioactivos (Triton X-100) y a la etapa de ultrasonido previa a la deposición electroforética.

Imágenes SEM de sección transversal y 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_0,5Minnesota_1,5O₄ material de cátodo compuesto:
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_0,5Minnesota_1,5O₄cátodos compuestos.
Electrodos compuestos positivos con LiNi_0,5 Minnesota_1,5O4 como material activo, una mezcla de grafito y negro de humo para aumentar la conductividad eléctrica del electrodo y polivinilfluoruro (PVDF) o una mezcla de PVDF con una pequeña cantidad de Teflon® (1 wt%) para construir el electrodo. Se han procesado por fundición en cinta sobre una lámina de aluminio como colector de corriente utilizando la técnica de la rasqueta. Además, las mezclas de componentes se han sonicado o no, y los electrodos procesados se han compactado o no bajo un posterior prensado en frío. Se han probado dos formulaciones:
Formulación A (sin Teflon®): 78 wt% LiNi_0,5 Minnesota_1,5O4; 7,5 % en peso de negro de humo; 2,5 % en peso de grafito; 12 % en peso de PVDF
Formulación B (con Teflon®): 78wt% LiNi0_0,5Minnesota_1,5O4; 7,5 % de negro de humo; 2,5 % de grafito; 11 % de PVDF; 1 % de Teflon
En ambos casos, los componentes se mezclaron y dispersaron en N-metilpirrolidinona (NMP). LiNi_0,5 Minnesota_1,5La espinela O4 (2g) 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 otros, la mezcla se agitó simplemente a temperatura ambiente durante 48 h, es decir, sin 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 de alto peso, 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 al papel de aluminio. Ambos parámetros contribuyen a mejorar la capacidad de drenaje a altas velocidades (5C). La compactación adicional de los conjuntos de electrodos/aluminio mejora notablemente la capacidad del electrodo a la tasa. A una tasa de 5C, se encuentran notables retenciones de capacidad entre el 80% y el 90% para electrodos con pesos en el rango de 3-17mg/cm²con Teflon® en su formulación, preparados tras la sonicación de sus mezclas de componentes y compactados bajo 2 toneladas/cm².
En resumen, los electrodos con un 1% de 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 tasa. Incluso con una corriente elevada 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 de ultrasonidos 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.
Hielscher es el líder del mercado de los dispersores de ultrasonidos de alto rendimiento y ofrece una gama que va desde los procesadores de laboratorio hasta los de escala industrial. 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 de nanopartículas por ultrasonidos y ofrece los procesadores por ultrasonidos más potentes y fiables del mercado. La ingeniería alemana proporciona la tecnología más avanzada 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 de Hielscher están diseñados para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ultrasonidos de Hielscher son robustos y tienen un rendimiento constante, lo que permite instalarlos en entornos exigentes y utilizarlos en condiciones de uso intensivo. Los ajustes de funcionamiento son fácilmente accesibles y se marcan 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 le permite revisar y comparar las ejecuciones de sonicación anteriores y optimizar la síntesis, la funcionalización y la dispersión de los nanomateriales y los compuestos 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 ser fiables para la dispersión de nanopartículas en suspensiones coloidales estables. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden funcionar continuamente con altas amplitudes y están construidos para un funcionamiento 24/7. Se pueden generar fácilmente amplitudes de hasta 200µm de forma continua con sonotrodos estándar (sondas / cuernos ultrasónicos). 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 para hablar de su proceso de producción de nanomateriales para la fabricación de baterías. Nuestro experimentado personal estará encantado de compartir más información sobre los resultados de dispersión superiores, los sistemas ultrasónicos de alto rendimiento y los precios.
Con la ventaja de la ultrasonicación, su producción de electrodos y electrolitos avanzados 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: