Elektroodimaterjalide sonokeemiline süntees akude tootmiseks

Suure jõudlusega akuelementide tootmisel mängivad nanostruktuursed materjalid ja nanokomposiidid olulist rolli, tagades parema elektrijuhtivuse, suuremad salvestustihedused, suure mahtuvuse ja töökindluse. Nanomaterjalide täielike funktsioonide saavutamiseks tuleb nanoosakesed dispergeerida või eksfolieerida üksikult ning need võivad vajada täiendavaid töötlusetappe, näiteks funktsionaliseerimist. Ultraheli nanotöötlus on parim, tõhus ja töökindel meetod suure jõudlusega nanomaterjalide ja nanokomposiitide valmistamiseks kaasaegsete akude tootmiseks.

Elektrokeemiliselt aktiivsete materjalide ultraheli dispergeerimine elektroodisuspensioonides

Nanomaterjale kasutatakse uuenduslike elektroodimaterjalidena, mis on oluliselt parandanud laetavate akude jõudlust. Aglomeratsiooni, agregatsiooni ja faaside lahknemise ületamine on elektroodide tootmiseks mõeldud suspensioonide (slurry) valmistamisel ülioluline, eriti kui kasutatakse nanomõõtmelisi materjale. Nanomaterjalid suurendavad akuelektroodide aktiivset pindala, mis võimaldab neil laadimistsüklite ajal rohkem energiat neelata ja suurendada nende üldist energiasalvestusmahtuvust. Nanomaterjalide täieliku eelise saamiseks tuleb need nanostruktuursed osakesed lahti harutada ja jaotada elektroodisuspensioonis eraldi osakestena. Ultraheli dispergeerimistehnoloogia pakub koondatud suurt nihkejõudu (sonomehaanilised jõud) ning sonokeemilist energiat, mis viib nanomõõtmeliste materjalide segunemiseni aatomitasandil ja kompleksi moodustumiseni.
Nanoosakesed, näiteks grafeen, süsiniknanotorud (CNT-d), metallid ja haruldaste muldmetallide mineraalid, tuleb ühtlaselt dispergeerida stabiilseks suspensiooniks, et saada väga funktsionaalseid elektroodimaterjale.
Näiteks grafeeni ja CNT-de kohta on hästi teada, et need parandavad akuelementide jõudlust, kuid osakeste aglomeratsioon tuleb ületada. See tähendab, et vajalik on kindlasti suure jõudlusega dispergeerimismeetod, mis suudab töödelda nanomaterjale ja võimalusel suure viskoossusega materjale. Sondtüüpi sonikaatorid on suure jõudlusega dispergeerimismeetod, mis suudab töödelda nanomaterjale usaldusväärselt ja tõhusalt isegi suure tahkisesisalduse korral.

Miks on ultraheli töötlus (sonikeerimine) nanomaterjalide töötlemisel parim meetod?

Kui muud dispergeerimis- ja segamismeetodid, näiteks suure nihkega segistid, helmesveskid või kõrgsurvehomogenisaatorid, jõuavad oma piirini, on ultraheli töötlus meetod, mis paistab silma mikron- ja nanoosakeste töötlemisel.
Suure võimsusega ultraheli ja ultraheli abil tekitatud akustiline kavitatsioon loovad ainulaadsed energiatingimused ja äärmiselt suure energiatiheduse, mis võimaldab nanomaterjale deaglomereerida või eksfolieerida, neid funktsionaliseerida, sünteesida nanostruktuure ülalt-alla-vastupidistes ehk alt-üles protsessides ning valmistada suure jõudlusega nanokomposiite.
Kuna Hielscheri sonikaatorid võimaldavad täpselt juhtida olulisemaid ultraheli töötlusparameetreid, nagu intensiivsus (Ws/mL), amplituud (µm), temperatuur (ºC/ºF) ja rõhk (bar), saab töötlustingimused häälestada igale materjalile ja protsessile individuaalselt optimaalseteks seadeteks. Seetõttu on ultraheli dispergaatorid väga mitmekülgsed ja neid saab kasutada paljudes rakendustes, näiteks CNT-de dispergeerimiseks, grafeeni eksfolieerimiseks, tuum-kest-osakeste sonokeemiliseks sünteesiks või ränananoosakeste funktsionaliseerimiseks.

Sonokeemiliselt valmistatud Na0.44MnO2 SEM-mikrofotod pärast kaltsineerimist temperatuuril 900°C 2 h jooksul.
(Uuring ja pilt: ©Shinde et al., 2019)

Lugege lähemalt Hielscheri tööstuslike ultraheli seadmete kohta nanomaterjalide töötlemiseks akutootmises!

Allpool leiate erinevaid ultrahelil põhinevaid nanomaterjalide töötlemise rakendusi:

Nanokomposiitide ultraheli süntees

Grafeen–SnO₂ nanokomposiidi ultraheli süntees: Deosakari jt (2013) uurimisrühm töötas välja ultraheli abil toimiva meetodi grafeen–SnO2 nanokomposiidi valmistamiseks. Nad uurisid suure võimsusega ultraheli tekitatud kavitatsiooniefekte grafeen–SnO2 komposiidi sünteesi ajal. Ultraheli töötluseks kasutasid nad Hielscher Ultrasonicsi seadet. Tulemused näitavad, et võrreldes tavapäraste sünteesimeetoditega paraneb ultraheli toimel SnO₂ peen ja ühtlane sadestumine grafeeni nanolehtedele grafeenoksiidi ja SnCl₂·2H₂O vahelise oksüdatsiooni–redutseerimise reaktsiooni käigus.

Skeem, mis näitab grafeenoksiidi ja SnO₂–grafeen nanokomposiidi tekkeprotsessi.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeen nanokomposiit valmistati edukalt uudse ja tõhusa ultraheli abil toimiva lahusepõhise keemilise sünteesimeetodiga ning grafeenoksiid redutseeriti SnCl₂ toimel grafeenlehtedeks HCl juuresolekul. TEM-analüüs näitab SnO₂ ühtlast ja peent sadestumist grafeeni nanolehtedele. Ultrahelikiirguse kasutamisest tingitud kavitatsiooniefektid on näidatult tugevdanud SnO2 peent ja ühtlast sadestumist grafeeni nanolehtedele grafeenoksiidi ja SnCl₂·2H₂O vahelise oksüdatsiooni–redutseerimise reaktsiooni käigus. SnO2 nanoosakeste (3–5 nm) tugevnenud peent ja ühtlast sadestumist redutseeritud grafeeni nanolehtedele seostatakse ultrahelikiirguse tekitatud kavitatsiooniefektist tingitud tõhustunud tuumumise ja lahustunud aine ülekandega. SnO₂ nanoosakeste peent ja ühtlast sadestumist grafeeni nanolehtedele kinnitas ka TEM-analüüs. Näidatud on sünteesitud SnO₂–grafeen nanokomposiidi kasutamist anoodimaterjalina liitium-ioonakudes. SnO₂–grafeen nanokomposiidil põhineva Li-aku mahtuvus on stabiilne umbes 120 tsükli jooksul ning aku suutis korrata stabiilset laadimis–tühjendusreaktsiooni. (Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeen nanokomposiidi TEM-pilt, mis on valmistatud sonokeemilise meetodiga. Skaalariba tähistab (A) 10nm , (B) 5nm.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar et al., 2013)

Nanoosakeste ultraheli dispergeerimine akuslurrides

Elektroodi komponentide dispergeerimine: Waser jt (2011) valmistasid elektroode liitiumraudfosfaadist (LiFePO₄). Slurri sisaldas aktiivmaterjalina LiFePO4, elektrit juhtiva lisandina tahma ning 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 segistiga (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min jooksul võimsusel 200 W ja sagedusel 24 kHz.
LiFePO₄ madalat elektrijuhtivust ja aeglast Li-ioonide difusiooni piki ühemõõtmelisi kanaleid saab ületada, kui LiFePO₄ põimitakse juhtivasse maatriksi, nt tahma. Kuna nanomõõtmelised osakesed ja tuum–kest-struktuuriga osakesed parandavad elektrijuhtivust, võimaldavad ultraheli dispergeerimistehnoloogia ja tuum–kest-osakeste sonokeemiline süntees toota akurakenduste jaoks paremaid nanokomposiite.

Liitiumraudfosfaadi dispergeerimine: Hagbergi uurimisrühm (Hagberg et al., 2018) kasutas ultraheliseadet UP100H struktuurse positiivse elektroodi valmistamiseks, mis koosneb liitiumraudfosfaadiga (LFP) kaetud süsinikkiududest. Süsinikkiud on pidevad, iseseisvad kiudkimbud, mis toimivad voolukollektoritena ja tagavad mehaanilise jäikuse ja tugevuse. Optimaalse toimivuse saavutamiseks kaetakse kiud eraldi, nt elektroforeetilise sadestamise abil.
Testiti LFP, CB ja PVDF segusid erinevate massisuhetega. Need segud kaeti süsinikkiududele. Kuna ebahomogeense jaotuse tõttu võib katmisvanni koostis erineda katte enda koostisest, kasutatakse selle erinevuse vähendamiseks põhjalikku segamist ultraheli töötlusega.
Nad märkisid, et osakesed on kogu katte ulatuses suhteliselt hästi dispergeerunud, mida seostatakse pindaktiivse aine (Triton X-100) kasutamise ja enne elektroforeetilist sadestamist tehtud ultraheli töötluse etapiga.

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

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ komposiitkatoodmaterjali dispersioon:
Vidal et al. (2013) uurisid töötlusetappide, nagu ultraheli töötlus (sonikeerimine), rõhk ja materjali koostis, mõju LiNi_0.5Mn_1.5O₄komposiitkatoodidele.
Positiivsed komposiitelektroodid, mille aktiivmaterjaliks on LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinell, grafiidi ja tahma segu elektroodi elektrijuhtivuse suurendamiseks ning kas polüvinülideenfluoriid (PVDF) või PVDF-i ja väikese koguse Teflon®-i (1 wt%) segu elektroodi moodustamiseks. Neid on töödeldud lintvalamisega alumiiniumfooliumile kui voolukollektorile, kasutades doctor blade tehnikat. Lisaks sonikeeriti komponentide segusid kas või mitte ning töödeldud elektroode kompaktseeriti või mitte järgneva külmpressimisega. Testiti kahte koostist:
A-koostis (ilma Teflon®-ita): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% tahma; 2,5 wt% grafiiti; 12 wt% PVDF
B-koostis (Teflon®-iga): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% tahma; 2,5 wt% grafiiti; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Mõlemal juhul segati komponendid ja dispergeeriti need N-metüülpürrolidinoonis (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinell (2g) koos teiste juba nimetatud protsentides kokku pandud komponentidega dispergeeriti 11 ml-s NMP-s. Mõnel konkreetsel juhul sonikeeriti segu 25 min ja seejärel segati toatemperatuuril 48 h. Mõnel teisel juhul segati segu toatemperatuuril 48 h ilma igasuguse sonikeerimiseta. Sonikeerimine soodustab elektroodi komponentide homogeenset dispersiooni ja saadud LNMS-elektrood näeb välja ühtlasem.
Suure kaaluga komposiitelektroode, kuni 17mg/cm2, valmistati ja uuriti liitiumioonakude positiivsete elektroodidena. Teflon®-i lisamine ja sonikeerimise rakendamine annavad ühtlased elektroodid, mis kleepuvad hästi alumiiniumfooliumile. Mõlemad parameetrid aitavad parandada suurtel kiirustel (5C) väljastatavat mahtuvust. Elektroodi ja alumiiniumi koostude täiendav kompaktseerimine parandab märkimisväärselt elektroodide kiirustaluvust. 5C kiirusel leitakse märkimisväärne mahtuvuse säilivus 80% ja 90% vahel elektroodidel, mille kaal on vahemikus 3-17mg/cm², mille koostises on Teflon®, mis on valmistatud nende komponentide segude sonikeerimise järel ja kompaktseeritud rõhul 2 tonni/cm².
Kokkuvõttes näitasid elektroodid, mille koostises oli 1 wt% Teflon®-i, mille komponentide segusid oli sonikeeritud, mis olid kompaktseeritud rõhul 2 tonni/cm2 ja mille kaal oli vahemikus 2,7-17 mg/cm2, märkimisväärset kiirustaluvust. Isegi suure voolu 5C juures oli normaliseeritud tühjenemismahtuvus kõigi nende elektroodide puhul 80% ja 90% vahel. (vrd Vidal et al., 2013)

Suure jõudlusega ultraheli dispergaatorid akutootmiseks

Hielscher Ultrasonics kavandab, toodab ja turustab suure võimsusega ning suure jõudlusega ultraheliseadmeid, mida kasutatakse katoodi-, anoodi- ja elektrolüütmaterjalide töötlemiseks liitiumioonakudes (LIB), naatriumioonakudes (NIB) ja teistes akuelementides. Hielscheri ultrahelisüsteeme kasutatakse nanokomposiitide sünteesimiseks, nanoosakeste funktsionaliseerimiseks ja nanomaterjalide dispergeerimiseks homogeenseteks, stabiilseteks suspensioonideks.
Hielscher on laborist kuni täismahulise tööstusliku skaalani ulatuva ultraheliprotsessorite portfelliga suure jõudlusega ultraheli dispergeerijate turuliider. Hielscher Ultrasonics on rohkem kui 30 aastat tegutsenud nanomaterjalide sünteesi ja osakeste suuruse vähendamise valdkonnas, tal on ulatuslik kogemus ultraheliga nanoosakeste töötlemisel ning ta pakub turul kõige võimsamaid ja töökindlamaid ultraheliprotsessoreid. Saksa insenertehnika tagab tipptasemel tehnoloogia ja töökindla kvaliteedi.
Täiustatud tehnoloogia, suur jõudlus ja nutikas tarkvara muudavad Hielscheri ultraheli sonikaatorid teie elektroodide tootmisprotsessis töökindlateks tööhobusteks. Kõik ultrahelisüsteemid toodetakse peakorteris Teltowis Saksamaal, kontrollitakse kvaliteedi ja vastupidavuse osas ning seejärel tarnitakse Saksamaalt kogu maailma.
Hielscheri sonikaatorite läbimõeldud riistvara ja nutikas tarkvara on loodud tagama töökindlat toimimist, reprodutseeritavaid tulemusi ning kasutajasõbralikkust. Hielscheri sonikaatorid on töökindlad ja stabiilse jõudlusega, mistõttu saab neid paigaldada nõudlikesse keskkondadesse ja kasutada raskes töörežiimis. Tööseadetele pääseb hõlpsasti ligi ja neid saab seadistada intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb ligi digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimise kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlustingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil eelnevaid sonikeerimisi üle vaadata ja võrrelda ning optimeerida nanomaterjalide ja komposiitide sünteesi, funktsionaliseerimist ja dispergeerimist maksimaalse efektiivsuseni.
Hielscher Ultrasonicsi süsteeme kasutatakse kogu maailmas nanomaterjalide sonokeemiliseks sünteesiks ning need on osutunud töökindlaks nanoosakeste dispergeerimisel stabiilseteks kolloidsuspensioonideks. Hielscheri tööstuslikud sonikaatorid võivad pidevalt töötada suurte amplituudidega ja on ette nähtud 24/7 töörežiimiks. Kuni 200µm amplituude saab standardsete sonotroodidega (ultrahelisondid / -sarved) hõlpsasti pidevalt tekitada. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Hielscheri ultraheliprotsessorid sonokeemiliseks sünteesiks, funktsionaliseerimiseks, nanostruktureerimiseks ja deaglomeratsiooniks on juba paigaldatud kogu maailmas kaubanduslikus mastaabis. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma nanomaterjale hõlmavat protsessietappi akutootmises! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega lisateavet suurepäraste dispergeerimistulemuste, suure jõudlusega ultrahelisüsteemide ja hindade kohta!
Ultraheli töötluse eelise abil paistab teie täiustatud elektroodide ja elektrolüütide tootmine teiste elektroodide tootjatega võrreldes silma tõhususe, lihtsuse ja madala hinnaga!

Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: