Elektroodimaterjalide sonokeemiline süntees akude tootmiseks

Suure jõudlusega akuelementide tootmisel mängivad nanostruktuursed materjalid ja nanokomposiidid olulist rolli, tagades suurepärase elektrijuhtivuse, suurema salvestustiheduse, suure võimsuse ja töökindluse. Nanomaterjalide täieliku funktsionaalsuse saavutamiseks tuleb nanoosakesed ükshaaval hajutada või koorida ning need võivad vajada täiendavaid töötlemisetappe, näiteks funktsionaliseerimist. Ultraheli nano-töötlus on parem, tõhus ja usaldusväärne tehnika suure jõudlusega nanomaterjalide ja nanokomposiitide tootmiseks täiustatud aku tootmiseks.

Elektrokeemiliselt aktiivsete materjalide ultraheli dispersioon elektroodide läga

Nanomaterjale kasutatakse uuenduslike elektroodimaterjalidena, mille tulemuseks on laetavate akude oluliselt suurem jõudlus. Aglomeratsiooni, agregatsiooni ja faaside eraldamise ületamine on ülioluline läga ettevalmistamisel elektroodide tootmiseks, eriti kui tegemist on nanosuuruses materjalidega. Nanomaterjalid suurendavad akuelektroodide aktiivset pinda, mis võimaldab neil laadimistsüklite ajal rohkem energiat neelata ja suurendada nende üldist energiasalvestusvõimsust. Nanomaterjalide täieliku eelise saamiseks peavad need nanostruktuursed osakesed takerduma ja jaotuma elektroodilägas eraldi osakestena. Ultraheli hajutamise tehnoloogia pakub fokuseeritud kõrge nihkega (sonomechnical) jõude, samuti sonokeemilist energiat, mis viib aatomitaseme segamiseni ja nano-suurusega materjalide kompleksini.
Nanoosakesed, nagu grafeen, süsiniknanotorud (CNT), metallid ja haruldased muldmetallid, tuleb ühtlaselt hajutada stabiilsesse läga, et saada väga funktsionaalseid elektroodimaterjale.
Näiteks on hästi teada, et grafeen ja CNT-d suurendavad akuelementide jõudlust, kuid osakeste aglomeratsioon tuleb ületada. See tähendab, et absoluutselt on vaja suure jõudlusega dispersioonitehnikat, mis on võimeline töötlema nanomaterjale ja võib-olla ka suurt viskoossust. Sondi tüüpi ultrasonikaatorid on suure jõudlusega hajutamismeetod, mis suudab nanomaterjale töödelda isegi suure tahke koormuse korral usaldusväärselt ja tõhusalt.

Miks on ultrahelitöötlus nanomaterjalide töötlemise parem tehnika?

Kui muud dispergeerimis- ja segamistehnikad, nagu suure nihkega segistid, helmesveskid või kõrgsurve homogenisaatorid, jõuavad oma piiridesse, on ultraheliuuring meetod, mis paistab silma mikronite ja nanoosakeste töötlemisel.
Suure võimsusega ultraheli ja ultraheli genereeritud akustiline kavitatsioon pakuvad ainulaadseid energiatingimusi ja äärmist energiatihedust, mis võimaldab nanomaterjale deagglomereerida või koorida, neid funktsionaliseerida, sünteesida nanostruktuure alt-üles protsessides ja valmistada suure jõudlusega nanokomposiite.
Kuna Hielscheri ultrasonikaatorid võimaldavad täpselt kontrollida kõige olulisemaid ultraheli töötlemise parameetreid, nagu intensiivsus (Ws / ml), amplituud (μm), temperatuur (ºC / ºF) ja rõhk (bar), saab töötlemistingimusi individuaalselt häälestada iga materjali ja protsessi optimaalsetele seadetele. Seega on ultraheli dispergeerijad väga mitmekülgsed ja neid saab kasutada paljudes rakendustes, nt CNT dispersioon, grafeeni koorimine, südamiku kesta osakeste sonokeemiline süntees või räni nanoosakeste funktsionaliseerimine.

SEM mikrograafid sonokeemiliselt valmistatud Na0,44MnO2 kaltsineerimisel 900 °C juures 2 tundi.
(Uuring ja pilt: ©Shinde et al., 2019)

Lisateave Hielscheri tööstuslike ultrasonikaatorite kohta nanomaterjalide töötlemiseks akude tootmisel!

Allpool leiate erinevaid ultraheliga juhitavaid nanomaterjalide töötlemise rakendusi:

Nanokomposiitide ultraheli süntees

Grafeeni–SnO ultraheli süntees₂ nanokomposiit: Deosakari jt (2013) uurimisrühm töötas välja ultraheli abil grafeeni–SnO2 nanokomposiidi valmistamiseks. Nad uurisid suure võimsusega ultraheli tekitatud kavitatsioonilisi mõjusid grafeeni–SnO2 komposiidi sünteesi ajal. Ultrahelitöötluseks kasutasid nad Hielscher Ultrasonics seadet. Tulemused näitavad ultraheli täiustatud peenet ja ühtlast SnO laadimist₂ grafeeni nanolehtedel oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsiooni teel grafeenoksiidi ja SnCl vahel₂·2H₂O võrreldes tavapäraste sünteesimeetoditega.

Diagramm, mis näitab grafeenoksiidi ja SnO moodustumisprotsessi₂–grafeeni nanokomposiit.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeeni nanokomposiit on edukalt valmistatud uudse ja tõhusa ultraheli abil lahusepõhise keemilise sünteesi teel ja grafeenoksiidi vähendati SnCl-ga₂ grafeenilehtedele HCl juuresolekul. TEM-analüüs näitab SnO ühtlast ja peent laadimist₂ grafeeni nanolehtedes. On näidatud, et ultraheli kiirituste kasutamise tõttu tekkinud kavitatsioonilised mõjud intensiivistavad SnO2 peenet ja ühtlast laadimist grafeeni nanolehtedele grafeenoksiidi ja SnCl vahelise oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsiooni ajal₂·2H₂O. SnO2 nanoosakeste (3–5 nm) intensiivistunud peen ja ühtlane laadimine vähendatud grafeeni nanolehtedele on tingitud ultraheli kiirituste poolt indutseeritud kavitatsiooniefekti tõttu suurenenud tuumastumisest ja lahustunud aine ülekandest. SnO peen ja ühtlane laadimine₂ nanoosakesed grafeeni nanolehtedel kinnitati ka TEM-analüüsiga. Sünteesitud SnO rakendamine₂–Demonstreeritakse grafeeni nanokomposiiti anoodimaterjalina liitiumioonakudes. SnO võimsus₂–grafeeni nanokomposiidil põhinev Li-aku on stabiilne umbes 120 tsüklit ja aku võib korrata stabiilset laadimis-tühjenemisreaktsiooni. (Deosakar et al., 2013)

SnO TEM-pilt₂–sonokeemilisel meetodil valmistatud grafeeni nanokomposiit. Riba tähistab (A) 10nm juures, (B) 5nm juures.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar et al., 2013)

Nanoosakeste ultraheli dispersioon aku läga

Elektroodikomponentide dispersioon: Waser jt (2011) valmistasid elektroodid liitiumraudfosfaadiga (LiFePO₄). Läga sisaldas aktiivse materjalina LiFePO4, elektrit juhtiva lisandina tahma, sideainena kasutati N-metüülpürrolidinoonis (NMP) lahustatud polüvinülideenfluoriidi. AM/CB/PVDF massisuhe (pärast kuivatamist) elektroodides oli 83/8,5/8,5. Suspensioonide valmistamiseks segati kõik elektroodi koostisosad NMP-s ultraheli segajaga (UP200H, Hielscheri ultraheli) 2 minutit 200 W ja 24 kHz juures.
Madal elektrijuhtivus ja aeglane Li-ioonide difusioon mööda LiFePO ühemõõtmelisi kanaleid₄ saab ületada LiFePO manustamisega₄ juhtivas maatriksis, nt tahm. Kuna nanosuuruses osakesed ja südamikukestaga osakeste struktuurid parandavad elektrijuhtivust, võimaldavad ultraheli dispersioonitehnoloogia ja südamikukesta osakeste sonokeemiline süntees toota akurakenduste jaoks suurepäraseid nanokomposiite.

Liitiumraudfosfaadi dispersioon: Hagbergi uurimisrühm (Hagberg et al., 2018) kasutas ultrasonikaator UP100H liitiumraudfosfaadiga (LFP) kaetud süsinikkiududest koosneva struktuurse positiivse elektroodi protseduuri jaoks. Süsinikkiud on pidevad, iseseisvad puksiirid, mis toimivad voolukollektoritena ja tagavad mehaanilise jäikuse ja tugevuse. Optimaalse jõudluse tagamiseks kaetakse kiud eraldi, nt elektroforeesisadestuse abil.
Testiti LFP-st, CB-st ja PVDF-ist koosnevate segude erinevaid kaalusuhteid. Need segud kaeti süsinikkiududega. Kuna ebahomogeenne jaotus kattevanni kompositsioonides võib erineda katte enda koostisest, kasutatakse erinevuse minimeerimiseks ranget ultraheliga segamist.
Nad märkisid, et osakesed on kogu kattekihis suhteliselt hästi hajutatud, mis on tingitud pindaktiivse aine (Triton X-100) kasutamisest ja ultraheliuuringust enne elektroforeetilist sadestumist.

Läbilõike ja suure suurendusega SEM-kujutised EPD-ga kaetud süsinikkiududest. LFP, CB ja PVDF segu homogeniseeriti ultraheliga, kasutades ultrasonikaator UP100H. Suurendused: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Uuring ja pilt: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi hajutamine_0.5Mn_1.5O₄ komposiitkatoodmaterjal:
(2013) uuris LiNi töötlemisetappide, näiteks ultrahelitöötluse, rõhu ja materjali koostise mõju_0.5Mn_1.5O₄komposiitkatoodid.
Positiivsed liitelektroodid, millel on LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel aktiivse materjalina, grafiidi ja tahma segu elektroodi elektrijuhtivuse suurendamiseks ja kas polüvinüüldenefluoriid (PVDF) või PVDF segu väikese koguse tefloniga® (1 massiprotsent) elektroodi ülesehitamiseks. Neid on töödeldud lintvaluga alumiiniumfooliumile voolukollektorina, kasutades arsti tera tehnikat. Lisaks olid komponentide segud kas ultraheliga töödeldud või mitte ning töödeldud elektroodid tihendati või mitte järgneva külmpressimise all. Katsetatud on kahte preparaati:
A-koostis (ilma teflonita®): 78 massiprotsenti LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 massiprotsenti tahma; 2,5 massiprotsenti grafiit; 12 massiprotsenti PVDF
B-koostis (tefloniga®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% tahm; 2,5 massiprotsenti grafiit; 11 massiprotsenti PVDF; 1 massiprotsenti teflonit®
Mõlemal juhul segati ja dispergeeriti komponendid N-metüülpürrolidinoonis (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) koos teiste komponentidega nimetatud protsentides dispergeeriti 11 ml NMP-s. Mõnel konkreetsel juhul töödeldi segu ultraheliga 25 minutit ja seejärel segati toatemperatuuril 48 tundi. Mõnes teises segati segu lihtsalt toatemperatuuril 48 tundi, s.t. ilma ultrahelitöötluseta. Ultrahelitöötlus soodustab elektroodikomponentide homogeenset dispersiooni ja saadud LNMS-elektrood tundub ühtlasem.
Valmistati ette ja uuriti liitiumioonakude jaoks positiivsete elektroodidena suure kaaluga komposiitelektroode kuni 17mg/cm2. Tefloni® lisamine ja ultrahelitöötluse rakendamine toovad kaasa ühtlased elektroodid, mis on alumiiniumfooliumile hästi kinnitatud. Mõlemad parameetrid aitavad parandada suurel kiirusel (5C) tühjendatud võimsust. Elektroodi / alumiiniumsõlmede täiendav tihendamine suurendab märkimisväärselt elektroodide kiiruse võimalusi. 5C kiirusel leitakse märkimisväärne võimsuse säilitamine vahemikus 80% kuni 90% elektroodide puhul, mille kaal on vahemikus 3-17 mg / cm²mille koostises on teflon®, mis on valmistatud pärast nende koostisosade ultrahelitöötlusega töötlemist ja tihendatud alla 2 tonni/cm².
Kokkuvõtteks võib öelda, et elektroodid, mille koostises oli 1 massiprotsenti teflonit®, nende komponentide segud, mida töödeldi ultrahelitöötlusega, tihendati temperatuuril 2 tonni / cm2 ja kaaluga vahemikus 2,7–17 mg/cm2, näitasid märkimisväärset kiirusvõimet. Isegi 5C suure voolu korral oli normaliseeritud tühjendusvõimsus kõigi nende elektroodide puhul vahemikus 80–90%. (vrd Vidal et al., 2013)

Suure jõudlusega ultraheli dispergeerijad aku tootmiseks

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure võimsusega, suure jõudlusega ultraheli seadmeid, mida kasutatakse katoodide, anoodide ja elektrolüütide materjalide töötlemiseks, mida kasutatakse liitium-ioonakudes (LIB), naatrium-ioonakudes (NIB) ja muudes akuelementides. Hielscheri ultraheli süsteeme kasutatakse sünteesida nanokomposiite, funktsionaliseerida nanoosakesi ja hajutada nanomaterjale homogeenseteks, stabiilseteks suspensioonideks.
Pakkudes portfelli laborist täielikult tööstuslikele ultraheli protsessoritele, on Hielscher suure jõudlusega ultraheli dispergeerijate turuliider. Töötades rohkem kui 30 aastat nanomaterjalide sünteesi ja suuruse vähendamise valdkonnas, on Hielscher Ultrasonicsil laialdased kogemused ultraheli nanoosakeste töötlemisel ja pakub kõige võimsamaid ja usaldusväärsemaid ultraheli protsessoreid turul. Saksa inseneriteadus pakub tipptasemel tehnoloogiat ja tugevat kvaliteeti.
Täiustatud tehnoloogia, suure jõudlusega ja keerukas tarkvara muudavad Hielscheri ultrasonikaatorid teie elektroodide tootmisprotsessis usaldusväärseteks tööhobusteks. Kõik ultraheli süsteemid on toodetud peakontoris Teltowis, Saksamaal, testitud kvaliteedi ja töökindluse suhtes ning seejärel levitatakse neid Saksamaalt üle kogu maailma.
Hielscheri ultrasonikaatorite keerukas riistvara ja nutikas tarkvara on loodud usaldusväärse töö, reprodutseeritavate tulemuste ja kasutajasõbralikkuse tagamiseks. Hielscheri ultrasonikaatorid on jõudluses tugevad ja järjepidevad, mis võimaldab neid paigaldada nõudlikesse keskkondadesse ja kasutada neid raskeveokite tingimustes. Tööseadetele pääseb hõlpsasti juurde ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb juurde digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluse käike ning optimeerida nanomaterjalide ja komposiitide sünteesi, funktsionaliseerimist ja hajutamist kõrgeima efektiivsusega.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas nanomaterjalide sonokeemiliseks sünteesiks ja need on osutunud usaldusväärseks nanoosakeste hajutamiseks stabiilseteks kolloidseteks suspensioonideks. Hielscheri tööstuslikud ultrasonikaatorid võivad pidevalt töötada kõrge amplituudiga ja on ehitatud 24/7 tööks. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt genereerida standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Hielscheri ultraheli protsessorid sonokeemilise sünteesi, funktsionaliseerimise, nano-struktureerimise ja deagglomeratsiooni jaoks on juba kaubanduslikul tasandil paigaldatud kogu maailmas. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma protsessietappi, mis hõlmab nanomaterjale akude tootmiseks! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega rohkem teavet suurepäraste dispersioonitulemuste, suure jõudlusega ultraheli süsteemide ja hinnakujunduse kohta!
Ultraheli eelisega paistab teie täiustatud elektroodide ja elektrolüütide tootmine teiste elektrooditootjatega võrreldes silma tõhususe, lihtsuse ja madalate kuludega!

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: