Suure jõudlusega akuelementide tootmisel on nanostruktuuriga materjalidel ja nanokomposiitidel oluline roll, pakkudes suurepärast elektrijuhtivust, suuremat ladustamistihedust, suurt võimsust ja usaldusväärsust. Nanomaterjalide täieliku funktsionaalsuse saavutamiseks peavad nanoosakesed olema individuaalselt hajutatud või kooritud ning võivad vajada edasisi töötlemisetappi, näiteks funktsionaliseerimist. Ultraheli nanotöötlus on suurepärane, tõhus ja usaldusväärne meetod suure jõudlusega nanomaterjalide ja nanokomposiitide tootmiseks täiustatud aku tootmiseks.

Elektrokeemiliselt aktiivsete materjalide ultraheli dispersioon elektroodi lägas

Nanomaterjale kasutatakse uuenduslike elektroodimaterjalidena, mille tulemuseks on laetavate akude oluliselt suurem jõudlus. Linnastu, agregatsiooni ja faaside eraldamise ületamine on elektroodi tootmiseks läga valmistamiseks ülioluline, eriti kui tegemist on nanosuuruste materjalidega. Nanomaterjalid suurendavad akuelektroodide aktiivset pinda, mis võimaldab neil laadimistsüklite ajal rohkem energiat absorbeerida ja suurendada nende üldist energiasalvestusvõimsust. Nanomaterjalide täieliku eelise saamiseks peavad need nanostruktureeritud osakesed olema takerdunud ja jaotuma elektroodi läga eraldi osakestena. Ultraheli hajutamise tehnoloogia pakub keskendunud kõrge nihke (sonomeknilisi) jõude, samuti sonokeemilist energiat, mis viib nano-suurusega materjalide aatomitaseme segamiseni ja keerukuseni.
Nanoosakesed, nagu grafeen, süsiniknanotorud, metallid ja haruldased muldmetallid, tuleb väga funktsionaalsete elektroodimaterjalide saamiseks ühtlaselt hajutada stabiilseks lägaks.
Näiteks on teada, et grafeen ja CNT-d parandavad akuelementide jõudlust, kuid osakeste linnastu tuleb ületada. See tähendab, et ülijõudlusega dispersioonitehnika, mis on võimeline töötlema nanomaterjale ja võib-olla ka suurt viskoossust, on hädavajalik. Sondi tüüpi ultraheliatorid on suure jõudlusega dispersioonimeetod, mis suudab nanomaterjale töödelda isegi suurte tahkete koormuste korral usaldusväärselt ja efektiivsust.

Miks on ultrahelitöötlus nanomaterjalide töötlemise ülim tehnika?

Kui teised hajutamis- ja segamismeetodid, nagu kõrgkäärsed segistid, helmesveskid või kõrgsurve homogenisaatorid, jõuavad oma piiridesse, on ultraheliuuring meetod, mis paistab silma mikroni- ja nanoosakeste töötlemisel.
Suure võimsusega ultraheli ja ultraheli tekitatud akustiline kavitatsioon pakuvad ainulaadseid energiatingimusi ja äärmuslikku energiatihedust, mis võimaldab nanomaterjale deagglomeereerida või koorida, neid funktsionaliseerida, sünteesida nanostruktuure alt-üles protsessides ja valmistada suure jõudlusega nanokomposiite.
Kuna Hielscheri ultraheliatorid võimaldavad täpselt kontrollida kõige olulisemaid ultraheli töötlemise parameetreid, nagu intensiivsus (Ws / mL), amplituud (μm), temperatuur (ºC / ºF) ja rõhk (baar), saab töötlemistingimusi individuaalselt häälestada iga materjali ja protsessi optimaalsetele seadetele. Seega on ultraheli disperserid väga mitmekülgsed ja neid saab kasutada paljude rakenduste jaoks, näiteks CNT dispersiooniks, grafeeni koorimiseks, tuumkesta osakeste sonokeemiliseks sünteesiks või räni nanoosakeste funktsionaliseerimiseks.

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

Lisateave Hielscheri tööstuslike ultraheliatorite kohta nanomaterjalide töötlemiseks aku tootmisel!

Allpool leiate erinevaid nanomaterjalide töötlemise ultrahelipõhiseid rakendusi:

Nanokomposiitide ultraheli süntees

Grafeeni-SnO ultraheli süntees₂ nanokomposiit: Deosakari jt uurimisrühm (2013) töötas välja ultraheli abil marsruudi grafeeni-SnO2 nanokomposiidi valmistamiseks. Nad uurisid grafeeni-SnO2 komposiitsünteesi sünteesi ajal suure võimsusega ultraheli tekitatud kavitatsiooniefekte. Ultrahelitöötluseks kasutasid nad Hielscheri ultraheli seadet. Tulemused näitavad SnO ultraheli täiustatud peent ja ühtlast laadimist₂ grafeeni nanolehtedel grafeenioksiidi ja SnCl oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsiooni teel₂2H₂O võrreldes tavapäraste sünteesimeetoditega.

Grafeenioksiidi ja SnO moodustumisprotsessi demonstreeriv diagramm₂–grafeeni nanokomposiit.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar jt, 2013)

SnO₂–Grafeeni nanokomposiit on edukalt ette valmistatud uudse ja efektiivse ultraheli abil põhineva keemilise sünteesi marsruudi kaudu ning grafeenoksiidi vähendas SnCl₂ grafeenilehtedele HCl. TEM-analüüsi juuresolekul näitab SnO ühtlast ja peent laadimist₂ grafeeni nanolehtedel. On tõestatud, et ultraheli kiirituste kasutamisest tingitud kavitatsiooniefektid intensiivistavad SnO2 peent ja ühtlast laadimist grafeeni nanolehtedele grafeenioksiidi ja SnCl-i vahelise oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsiooni ajal.₂2H₂O. SnO2 nanoosakeste (3–5 nm) intensiivistunud peen ja ühtlane koormus vähendatud grafeeni nanolehtedele on tingitud ultraheli kiiritustest põhjustatud kavitatsioonilise toime täiustatud nukleatsioonist ja lüüdi ülekandest. SnO peen ja ühtlane laadimine₂ TEM-analüüsist kinnitati ka grafeeni nanolehtede nanoosakesi. Sünteesitud SnO rakendamine₂–on näidatud grafeeni nanokomposiiti anoodimaterjalina liitiumioonakudes. SnO võimsus₂–Grafeeni nanokomposiidipõhine Li-aku on stabiilne umbes 120 tsüklit ja aku võib korrata stabiilset laadimis-tühjendusreaktsiooni. (Deosakar jt, 2013)

SnO TEM-pilt₂–grafeeni nanokomposiit, mis on valmistatud sonokeemilisel meetodil. Riba näitab (A) 10nm , (B) kell 5nm.
(Uuring ja pildid: ©Deosakar jt, 2013)

Nanoosakeste ultraheli dispersioon aku lägadesse

Electode komponentide hajutamine: Waser jt (2011) valmistasid elektroode liitiumraua fosfaadiga (LiFePO)₄). Läga sisaldas aktiivse materjalina LiFePO4, süsinikmusta elektrit juhtiva lisandina, sideainena kasutati N-metüülpürolidinoiinis (NMP) lahustunud polüvinüülideiinfluoriidi. 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 sagedusel 200 W ja 24 kHz.
Madal elektrijuhtivus ja aeglane Li-iooni difusioon LiFePO ühemõõtmelistes kanalites₄ saab ületada LiFePO manustamisega₄ juhtivas maatriksis, nt süsinikmust. Kuna nanosuuruses osakesed ja südamikukesta osakeste struktuurid parandavad elektrijuhtivust, võimaldavad ultraheli dispersioonitehnoloogia ja tuumakesta osakeste sonokeemiline süntees toota akurakenduste jaoks suurepäraseid nanokomposiite.

Liitiumraua fosfaadi dispersioon: Hagbergi uurimisrühm (Hagberg et al., 2018) kasutas ultrasonikaator UP100H struktuurse positiivse elektroodi protseduuriks, mis koosneb liitium-raudfosfaadiga (LFP) kaetud süsinikkiududest. Süsinikkiud on pidevad, iseseisvad tows, mis toimivad praeguste kollektsionääridena ja tagavad mehaanilise jäikuse ja tugevuse. Optimaalse jõudluse saavutamiseks kaetakse kiud individuaalselt, näiteks elektroforeetilise sadestumise abil.
Testiti LFP-st, CB-st ja PVDF-ist koosnevate segude erinevaid kaalusuhteid. Need segud kaeti süsinikkiududele. Kuna kattevannikompositsioonide inhomogeenne jaotus võib erineda katte koostisest, kasutatakse erinevuse minimeerimiseks ultraheliga ranget segamist.
Nad märkisid, et osakesed on kogu kattes suhteliselt hästi hajutatud, mis on tingitud pindaktiivse aine (Triton X-100) kasutamisest ja ultraheliuuringu sammust enne elektroforeetilist sadestumist.

EPD kaetud süsinikkiudude ristlõike- ja suurendusega SEM-pildid. LFP, CB ja PVDF segu homogeniseeriti ultraheli abil, kasutades ultrasonikaator UP100H. Suurendused: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Uuring ja pilt: ©Hagberg jt, 2018)

LiNi hajumine_0.5Mn_1.5O₄ komposiitkatoodmaterjal:
Vidal jt (2013) uurisid LiNi töötlemisetappide, näiteks ultrahelitöötluse, rõhu ja materjali koostise mõju_0.5Mn_1.5O₄komposiitkatoodid.
Positiivsed komposiitelektroodid, millel on LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel kui aktiivne materjal, grafiidi ja süsinikmusta segu elektroodi elektrijuhtivuse suurendamiseks ja kas polüvinüüldenefluoriid (PVDF) või PVDF segu väikese koguse tefloniga® (1 wt%) elektroodi ehitamiseks. Neid on töödeldud alumiiniumfooliumile valamise teel praeguse kollektorina, kasutades arsti tera tehnikat. Lisaks olid komponentide segud kas helistatud või mitte ning töödeldud elektroodid tihendati või mitte järgneva külmpressimise ajal. Testitud on kahte preparaati:
A-koostis (ilma teflonita®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% süsimust; 2,5 wt% grafiit; 12 wt% PVDF
B-koostis (tefloniga®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% süsimust; 2,5 wt% grafiit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Mõlemal juhul segati ja hajutati komponendid N-metüülpyrrolidinone'is (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) koos teiste juba kehtestatud protsentide komponentidega hajutati 11 ml NMP-sse. Mõnel konkreetsel juhul sonicated 25 min ja seejärel segati toatemperatuuril 48 tundi. Mõnes teises segati segu lihtsalt toatemperatuuril 48 tundi, st ilma ultrahelitöötluseta. Ultrahelitöötlus soodustab elektroodikomponentide homogeenset hajumist ja saadud LNMS-elektrood tundub ühtlasem.
Valmistati ette ja uuriti liitium-ioonakude positiivsete elektroodidena suure kaaluga komposiitelektroode kuni 17 mg/cm2. Tefloni® lisamine ja ultrahelitöötlusravi rakendamine toovad kaasa ühtlased elektroodid, mis on alumiiniumfooliumile hästi kinnitatud. Mõlemad parameetrid aitavad parandada kõrge kiirusega (5C) tühjendatud võimsust. Elektroodi/alumiiniumi komplektide täiendav tihendamine suurendab märkimisväärselt elektroodide kiiruse võimekust. 5C kiirusega leitakse märkimisväärseid võimsusepeetusi vahemikus 80–90% elektroodide puhul, mille kaal on vahemikus 3-17mg/cm², mille koostis on teflon®, mis on valmistatud pärast nende komponentide segude ultrahelitöötlust ja tihendatud alla 2 tonni/cm².
Kokkuvõtteks võib öelda, et elektroodid, mille koostis on 1 wt% teflonit®, nende komponentide segud, mida läbiti ultrahelitöötlus, tihendatud 2 tonni / cm2 ja mille kaal oli vahemikus 2,7-17 mg / cm2, näitas märkimisväärset kiiruse võimet. Isegi 5C suure voolu korral oli normaliseeritud tühjendusvõimsus kõigi nende elektroodide puhul 80–90%. (vrd Vidal et al., 2013)

Suure jõudlusega ultraheli disperserid aku tootmiseks

Hielscheri ultraheli kujundab, toodab ja levitab suure võimsusega suure jõudlusega ultraheli seadmeid, mida kasutatakse katoodi, anoodi ja elektrolüütide materjalide töötlemiseks liitiumioonakudes (LIB), naatrium-ioonakudes (NIB) ja muudes akuelementides. Hielscheri ultraheli süsteeme kasutatakse nanokomposiitide sünteesimiseks, nanoosakeste funktsionaliseerimiseks ja nanomaterjalide hajutamiseks homogeenseteks, stabiilseteks suspensioonideks.
Pakkudes portfelli laborist täielikult tööstusliku suurusega ultraheliprotsessoritele, on Hielscher suure jõudlusega ultraheli hajutajate turuliider. Töötades rohkem kui 30 aastat nanomaterjalide sünteesi ja suuruse vähendamise valdkonnas, on Hielscheri ultrahelil laialdased kogemused ultraheli nanoosakeste töötlemisel ning see pakub turul kõige võimsamaid ja usaldusväärsemaid ultraheliprotsessoreid. Saksa inseneriteadus pakub kaasaegset tehnoloogiat ja tugevat kvaliteeti.
Täiustatud tehnoloogia, suure jõudlusega ja keerukas tarkvara muudavad Hielscheri ultraheliatorid teie elektroodi tootmisprotsessis usaldusväärseteks tööhobusteks. Kõik ultraheli süsteemid on toodetud Saksamaal Teltowi peakontoris, testitud kvaliteedi ja töökindluse suhtes ning seejärel levitatakse Saksamaalt üle kogu maailma.
Hielscheri ultraheliatorite keerukas riist- ja nutikas tarkvara on loodud selleks, et tagada usaldusväärne töö, reprodutseeritavad tulemused ja kasutajasõbralikkus. Hielscheri ultraheliatorid on vastupidavad ja järjepidevad, mis võimaldab neid paigaldada nõudlikesse keskkondadesse ja kasutada neid rasketes tingimustes. Tööseadetele pääseb hõlpsalt juurde ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb juurde digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu registreeritakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil läbi vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluskäimeid ning optimeerida nanomaterjalide ja komposiitide sünteesi, funktsionaliseerimist ja hajutamist kõrgeima efektiivsusega.
Hielscheri ultrahelisüsteeme kasutatakse kogu maailmas nanomaterjalide sonokeemiliseks sünteesiks ja need on osutunud usaldusväärseks nanoosakeste hajutamiseks stabiilseteks kolloidsed suspensioonideks. Hielscheri tööstuslikud ultraheliatorid võivad pidevalt töötada kõrge amplituudiga ja on ehitatud 24/7 tööks. Kuni 200 μm amplituudi saab kergesti genereerida standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Hielscheri ultraheliprotsessorid sonokeemiliseks sünteesiks, funktsionaliseerimiseks, nanokonstruktoriteerimiseks ja deagglomeratsiooniks on juba paigaldatud kogu maailmas kaubanduslikul skaalal. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma protsessietappi, mis hõlmab nanomaterjale aku tootmiseks! Meie kogenud töötajatel on hea meel jagada rohkem teavet suurepäraste dispersioonitulemuste, suure jõudlusega ultrahelisüsteemide ja hinnakujunduse kohta!
Ultraheli abil paistab teie täiustatud elektroodi ja elektrolüütide tootmine teiste elektroodide tootjatega võrreldes silma tõhususe, lihtsuse ja madalate kulude poolest!

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest: