سنتز سونوشیمیایی مواد الکترود برای تولید باتری

در تولید سلول‌های باتری با عملکرد بالا، مواد نانوساختار و نانوکامپوزیت‌ها با فراهم‌کردن رسانایی الکتریکی برتر، چگالی‌های ذخیره‌سازی بیشتر، ظرفیت بالا و قابلیت اطمینان، نقش مهمی ایفا می‌کنند. برای بهره‌گیری کامل از قابلیت‌های نانومواد، نانوذرات باید به‌صورت منفرد پراکنده یا لایه‌برداری شوند و ممکن است به مراحل پردازش بیشتری مانند عامل‌دارسازی نیاز داشته باشند. نانوپردازش فراصوتی، روشی برتر، مؤثر و قابل‌اعتماد برای تولید نانومواد و نانوکامپوزیت‌های با عملکرد بالا به‌منظور تولید باتری‌های پیشرفته است.

پراکنش فراصوتی مواد فعال الکتروشیمیایی در دوغاب‌های الکترود

نانومواد به‌عنوان مواد نوآورانهٔ الکترود به کار می‌روند و موجب بهبود چشمگیر عملکرد باتری‌های قابل‌شارژ شده‌اند. غلبه بر کلوخه‌شدن، تجمع و جدایش فازی برای تهیهٔ دوغاب‌های مورد استفاده در ساخت الکترود، به‌ویژه هنگام استفاده از مواد نانومقیاس، ضروری است. نانومواد مساحت سطح فعال الکترودهای باتری را افزایش می‌دهند؛ این امر به آن‌ها امکان می‌دهد در چرخه‌های شارژ انرژی بیشتری جذب کنند و ظرفیت کلی ذخیره‌سازی انرژی خود را افزایش دهند. برای بهره‌گیری کامل از مزایای نانومواد، باید درهم‌تنیدگی این ذرات نانوساختار برطرف شود و به‌صورت ذرات مجزا در دوغاب الکترود توزیع شوند. فناوری پراکنش فراصوتی نیروهای متمرکز با برش بالا (سونومکانیکی) و همچنین انرژی سونوشیمیایی فراهم می‌کند که به اختلاط در سطح اتمی و تشکیل کمپلکس مواد نانومقیاس می‌انجامد.
برای دستیابی به مواد الکترود با کارایی بالا، نانوذراتی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی (CNTs)، فلزات و کانی‌های عناصر خاکی کمیاب باید به‌طور یکنواخت در یک دوغاب پایدار پراکنده شوند.
برای نمونه، گرافن و CNTs به بهبود عملکرد سلول باتری شناخته شده‌اند، اما باید بر کلوخه‌شدن ذرات غلبه کرد. این بدان معناست که استفاده از یک روش پراکنش با عملکرد بالا که قادر به پردازش نانومواد و احتمالاً مواد با گرانروی بالا باشد، کاملاً ضروری است. سونیکاتورهای پروبی روشی با عملکرد بالا برای پراکنش هستند که می‌توانند نانومواد را حتی در بارگذاری بالای مواد جامد، به‌طور قابل‌اعتماد و مؤثر پردازش کنند.

چرا فراصوت‌دهی روشی برتر برای پردازش نانومواد است؟

هنگامی که سایر روش‌های پراکنش و اختلاط، مانند همزن‌های با برش بالا، آسیاب‌های مهره‌ای یا هموژنایزرهای فشار بالا، به محدودیت‌های خود می‌رسند، فراصوت‌دهی به‌عنوان روشی متمایز برای پردازش ذرات میکرونی و نانومتری مطرح می‌شود.
فراصوت پرتوان و کاویتاسیون آکوستیکی حاصل از آن، شرایط انرژی منحصربه‌فرد و چگالی انرژی بسیار بالایی فراهم می‌کنند که امکان کلوخه‌زدایی یا لایه‌برداری نانومواد، عامل‌دارسازی آن‌ها، سنتز نانوساختارها در فرایندهای پایین‌به‌بالا و تهیهٔ نانوکامپوزیت‌های با عملکرد بالا را می‌دهد.
از آنجا که سونیکاتورهای Hielscher امکان کنترل دقیق مهم‌ترین پارامترهای پردازش فراصوتی، مانند شدت (Ws/mL)، دامنه (µm)، دما (ºC/ºF) و فشار (bar) را فراهم می‌کنند، می‌توان شرایط پردازش را به‌صورت اختصاصی برای هر ماده و فرایند روی مقادیر بهینه تنظیم کرد. ازاین‌رو، پراکنده‌سازهای فراصوتی بسیار چندمنظوره‌اند و می‌توان از آن‌ها در کاربردهای متعددی مانند پراکنش CNT، لایه‌برداری گرافن، سنتز سونوشیمیایی ذرات هسته–پوسته یا عامل‌دارسازی نانوذرات سیلیسیم استفاده کرد.

ریزنگاره‌های SEM از Na0.44MnO2 تهیه‌شده به روش سونوشیمیایی با کلسیناسیون در 900°C به‌مدت 2 h.
(پژوهش و تصویر: ©Shinde et al., 2019)

دربارهٔ سونیکاتورهای صنعتی Hielscher برای پردازش نانومواد در ساخت باتری بیشتر بدانید!

در ادامه می‌توانید کاربردهای گوناگون پردازش نانومواد به کمک فراصوت را ببینید:

سنتز فراصوتی نانوکامپوزیت‌ها

سنتز فراصوتی گرافن–SnO₂ به‌صورت نانوکامپوزیت: گروه پژوهشی Deosakar et al. (2013) مسیری به کمک فراصوت برای تهیهٔ نانوکامپوزیت گرافن–SnO2 توسعه دادند. آن‌ها اثرات کاویتاسیونی ایجادشده با فراصوت پرتوان را طی سنتز کامپوزیت گرافن–SnO2 بررسی کردند. برای فراصوت‌دهی از دستگاه Hielscher Ultrasonics استفاده کردند. نتایج نشان می‌دهد که فراصوت، در مقایسه با روش‌های متداول سنتز، موجب بهبود بارگذاری ریزدانه و یکنواخت SnO₂ روی نانوورقه‌های گرافن از طریق واکنش اکسایش–کاهش بین اکسید گرافن و SnCl₂·2H₂O می‌شود.

نمودار فرایند تشکیل اکسید گرافن و نانوکامپوزیت SnO₂–گرافن.
(پژوهش و تصاویر: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–گرافن به‌صورت نانوکامپوزیت، با موفقیت از طریق یک مسیر نوین و مؤثر سنتز شیمیایی مبتنی بر محلول و به کمک فراصوت تهیه شده است و اکسید گرافن توسط SnCl₂ در حضور HCl به ورقه‌های گرافن کاهش یافته است. تحلیل TEM بارگذاری یکنواخت و ریزدانهٔ SnO₂ در نانوورقه‌های گرافن را نشان می‌دهد. نشان داده شده است که اثرات کاویتاسیونی حاصل از تابش فراصوت، بارگذاری ریزدانه و یکنواخت SnO2 روی نانوورقه‌های گرافن را طی واکنش اکسایش–کاهش بین اکسید گرافن و SnCl₂·2H₂O تشدید می‌کنند. تشدید بارگذاری ریزدانه و یکنواخت نانوذرات SnO2 با اندازهٔ (3–5 nm) روی نانوورقه‌های گرافن کاهش‌یافته، به افزایش جوانه‌زنی و انتقال مادهٔ حل‌شده ناشی از اثر کاویتاسیونی ایجادشده با تابش فراصوت نسبت داده می‌شود. بارگذاری ریزدانه و یکنواخت ذرات SnO₂ در مقیاس نانو روی نانوورقه‌های گرافن نیز با تحلیل TEM تأیید شد. کاربرد نانوکامپوزیت سنتزشدهٔ SnO₂–گرافن به‌عنوان مادهٔ آند در باتری‌های لیتیوم‌یونی نشان داده شده است. ظرفیت باتری لیتیومی مبتنی بر نانوکامپوزیت SnO₂–گرافن برای حدود 120 چرخه پایدار است و باتری توانسته است واکنش شارژ–دشارژ پایدار را تکرار کند. (Deosakar et al., 2013)

تصویر TEM از نانوکامپوزیت SnO₂–گرافن تهیه‌شده به روش سونوشیمیایی. نوار مقیاس در (A) برابر با 10nm و در (B) برابر با 5nm است.
(پژوهش و تصاویر: ©Deosakar et al., 2013)

پراکنش فراصوتی نانوذرات در دوغاب‌های باتری

پراکنش اجزای الکترود: Waser et al. (2011) الکترودهایی با فسفات آهن لیتیوم (LiFePO₄) تهیه کردند. دوغاب حاوی LiFePO4 به‌عنوان مادهٔ فعال و کربن بلک به‌عنوان افزودنی رسانای الکتریکی بود و پلی‌وینیلیدن فلوراید حل‌شده در N-متیل‌پیرولیدینون (NMP) به‌عنوان چسباننده استفاده شد. نسبت جرمی (پس از خشک‌شدن) AM/CB/PVDF در الکترودها 83/8٫5/8٫5 بود. برای تهیهٔ سوسپانسیون‌ها، تمام اجزای تشکیل‌دهندهٔ الکترود در NMP با یک همزن فراصوتی (UP200H, Hielscher Ultrasonics) به‌مدت 2 min با توان 200 W و فرکانس 24 kHz مخلوط شدند.
رسانایی الکتریکی پایین و نفوذ کند یون لیتیوم در امتداد کانال‌های یک‌بعدی LiFePO₄ را می‌توان با جای‌دادن LiFePO₄ در یک ماتریس رسانا، مانند کربن بلک، برطرف کرد. از آنجا که ذرات نانومقیاس و ساختارهای ذره‌ای هسته–پوسته رسانایی الکتریکی را بهبود می‌دهند، فناوری پراکنش فراصوتی و سنتز سونوشیمیایی ذرات هسته–پوسته امکان تولید نانوکامپوزیت‌های برتر را برای کاربردهای باتری فراهم می‌کنند.

پراکنش فسفات آهن لیتیوم: گروه پژوهشی Hagberg (Hagberg et al., 2018) از سونیکاتور UP100H برای فرایند تهیهٔ الکترود مثبت سازه‌ای متشکل از الیاف کربن پوشش‌داده‌شده با فسفات آهن لیتیوم (LFP) استفاده کردند. الیاف کربن، دسته‌الیاف پیوسته و خودایستایی هستند که به‌عنوان جمع‌کنندهٔ جریان عمل می‌کنند و سفتی و استحکام مکانیکی فراهم می‌سازند. برای دستیابی به عملکرد بهینه، الیاف به‌صورت منفرد، برای نمونه با رسوب‌دهی الکتروفورتیک، پوشش داده می‌شوند.
نسبت‌های وزنی مختلف مخلوط‌های متشکل از LFP، CB و PVDF آزمایش شدند. این مخلوط‌ها به‌صورت پوشش روی الیاف کربن اعمال شدند. از آنجا که توزیع ناهمگن در حمام پوشش‌دهی ممکن است باعث تفاوت ترکیب حمام با ترکیب خود پوشش شود، برای به‌حداقل‌رساندن این تفاوت از هم‌زدن شدید با فراصوت‌دهی استفاده می‌شود.
آن‌ها مشاهده کردند که ذرات در سراسر پوشش نسبتاً خوب پراکنده شده‌اند؛ این امر به استفاده از مادهٔ فعال سطحی (Triton X-100) و مرحلهٔ فراصوت‌دهی پیش از رسوب‌دهی الکتروفورتیک نسبت داده می‌شود.

تصاویر SEM از مقطع عرضی و با بزرگ‌نمایی بالا از الیاف کربن پوشش‌داده‌شده با EPD. مخلوط LFP، CB و PVDF با فراصوت و با استفاده از سونیکاتور UP100H همگن شد. بزرگ‌نمایی‌ها: a) 0٫8kx، b) 0٫8kx، c) 1٫5kx، d) 30kx.
(پژوهش و تصویر: ©Hagberg et al., 2018)

پراکنش LiNi_0.5Mn_1.5O₄ به‌عنوان مادهٔ کاتدی کامپوزیتی:
Vidal et al. (2013) تأثیر مراحل پردازش مانند فراصوت‌دهی، فشار و ترکیب مواد را برای LiNi_0.5Mn_1.5O₄ در کاتدهای کامپوزیتی بررسی کردند.
الکترودهای کامپوزیتی مثبت حاوی LiNi_0.5 Mn_1.5O4 با ساختار اسپینل به‌عنوان مادهٔ فعال، مخلوطی از گرافیت و کربن بلک برای افزایش رسانایی الکتریکی الکترود و پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) یا مخلوط PVDF با مقدار کمی Teflon® (1 wt%) برای تشکیل الکترود بودند. آن‌ها با ریخته‌گری نواری روی فویل آلومینیوم به‌عنوان جمع‌کنندهٔ جریان و با استفاده از روش تیغهٔ دکتر بلید پردازش شدند. افزون بر این، مخلوط اجزا با فراصوت‌دهی یا بدون آن تهیه شد و الکترودهای پردازش‌شده نیز در مرحلهٔ بعد، با پرس سرد متراکم شدند یا بدون تراکم باقی ماندند. دو فرمولاسیون آزمایش شدند:
فرمولاسیون A (بدون Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4؛ 7٫5 wt% کربن بلک؛ 2٫5 wt% گرافیت؛ 12 wt% PVDF
فرمولاسیون B (با Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4؛ 7٫5wt% کربن بلک؛ 2٫5 wt% گرافیت؛ 11 wt% PVDF؛ 1 wt% Teflon®
در هر دو مورد، اجزا در N-متیل‌پیرولیدینون (NMP) مخلوط و پراکنده شدند. LiNi_0.5 Mn_1.5O4 با ساختار اسپینل (2g)، همراه با سایر اجزا با درصدهای ازپیش‌تعیین‌شدهٔ مذکور، در 11 ml از NMP پراکنده شد. در برخی موارد خاص، مخلوط به‌مدت 25 min تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت و سپس در دمای اتاق به‌مدت 48 h هم زده شد. در برخی موارد دیگر، مخلوط فقط در دمای اتاق به‌مدت 48 h هم زده شد، یعنی بدون هیچ‌گونه فراصوت‌دهی. تیمار فراصوت‌دهی به پراکنش همگن اجزای الکترود کمک می‌کند و الکترود LNMS حاصل، یکنواخت‌تر به نظر می‌رسد.
الکترودهای کامپوزیتی با وزن بالا، تا 17mg/cm2، تهیه شدند و به‌عنوان الکترودهای مثبت باتری‌های لیتیوم‌یونی بررسی شدند. افزودن Teflon® و اعمال تیمار فراصوت‌دهی به الکترودهای یکنواختی می‌انجامد که به‌خوبی به فویل آلومینیوم چسبیده‌اند. هر دو پارامتر به بهبود ظرفیت برداشت‌شده در نرخ‌های بالا (5C) کمک می‌کنند. متراکم‌سازی بیشتر مجموعه‌های الکترود/آلومینیوم، قابلیت عملکرد الکترود در نرخ‌های مختلف را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در نرخ 5C، حفظ ظرفیت چشمگیر بین 80% و 90% برای الکترودهایی مشاهده می‌شود که وزن آن‌ها در محدودهٔ 3–17mg/cm² است، در فرمولاسیون خود Teflon® دارند، پس از فراصوت‌دهی مخلوط اجزایشان تهیه شده‌اند و تحت فشار 2 تن/cm² متراکم شده‌اند.
در مجموع، الکترودهایی که در فرمولاسیون خود 1 wt% Teflon® داشتند، مخلوط اجزای آن‌ها تحت تیمار فراصوت‌دهی قرار گرفته بود، با فشار 2 تن/cm2 متراکم شده بودند و وزن آن‌ها در محدودهٔ 2٫7–17 mg/cm2 بود، قابلیت عملکرد چشمگیری در نرخ‌های مختلف نشان دادند. حتی در جریان بالای 5C، ظرفیت دشارژ نرمال‌شده برای تمام این الکترودها بین 80% و 90% بود. (رجوع کنید به Vidal et al., 2013)

پراکنده‌سازهای فراصوتی با عملکرد بالا برای تولید باتری

Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی پرتوان و با عملکرد بالا را طراحی، تولید و عرضه می‌کند که برای پردازش مواد کاتد، آند و الکترولیت جهت استفاده در باتری‌های لیتیوم‌یونی (LIB)، باتری‌های سدیم‌یونی (NIB) و سایر سلول‌های باتری به کار می‌روند. سامانه‌های فراصوتی Hielscher برای سنتز نانوکامپوزیت‌ها، عامل‌دارسازی نانوذرات و پراکنش نانومواد در سوسپانسیون‌های همگن و پایدار استفاده می‌شوند.
Hielscher با ارائهٔ مجموعه‌ای از پردازشگرهای فراصوتی از مقیاس آزمایشگاهی تا کاملاً صنعتی، پیشتاز بازار پراکنده‌سازهای فراصوتی با عملکرد بالا است. Hielscher Ultrasonics با بیش از 30 سال فعالیت در زمینهٔ سنتز نانومواد و کاهش اندازه، تجربهٔ گسترده‌ای در پردازش فراصوتی نانوذرات دارد و قدرتمندترین و قابل‌اعتمادترین پردازشگرهای فراصوتی بازار را عرضه می‌کند. مهندسی آلمانی، فناوری روز و کیفیتی مستحکم را فراهم می‌کند.
فناوری پیشرفته، عملکرد بالا و نرم‌افزار تکامل‌یافته، سونیکاتورهای Hielscher را به دستگاه‌هایی قابل‌اعتماد برای کار مداوم در فرایند ساخت الکترود شما تبدیل می‌کنند. تمام سامانه‌های فراصوتی در مقر شرکت در تلتو، آلمان، تولید می‌شوند، از نظر کیفیت و استحکام آزموده می‌شوند و سپس از آلمان به سراسر جهان عرضه می‌گردند.
سخت‌افزار تکامل‌یافته و نرم‌افزار هوشمند سونیکاتورهای Hielscher برای تضمین کارکرد قابل‌اعتماد، نتایج تکرارپذیر و سهولت استفاده طراحی شده‌اند. سونیکاتورهای Hielscher مستحکم‌اند و عملکردی باثبات دارند؛ ازاین‌رو می‌توان آن‌ها را در محیط‌های دشوار نصب کرد و در شرایط کاری سنگین به کار گرفت. تنظیمات عملیاتی را می‌توان به‌آسانی از طریق منوی کاربرپسند مشاهده و تنظیم کرد؛ این منو از طریق نمایشگر لمسی رنگی دیجیتال و کنترل از راه دور با مرورگر در دسترس است. بنابراین، تمام شرایط پردازش مانند انرژی خالص، انرژی کل، دامنه، زمان، فشار و دما به‌طور خودکار روی کارت SD داخلی ثبت می‌شوند. این قابلیت به شما امکان می‌دهد اجراهای پیشین فراصوت‌دهی را بازبینی و مقایسه کنید و سنتز، عامل‌دارسازی و پراکنش نانومواد و کامپوزیت‌ها را برای دستیابی به بالاترین بازده بهینه سازید.
سامانه‌های Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان برای سنتز سونوشیمیایی نانومواد استفاده می‌شوند و قابلیت اطمینان آن‌ها برای پراکنش نانوذرات در سوسپانسیون‌های کلوئیدی پایدار به اثبات رسیده است. سونیکاتورهای صنعتی Hielscher می‌توانند به‌طور پیوسته با دامنه‌های بالا کار کنند و برای کارکرد 24/7 ساخته شده‌اند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته با سونوتْرودهای استاندارد (پروب‌ها / هورن‌های فراصوتی) ایجاد کرد. برای دامنه‌های باز هم بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.
پردازشگرهای فراصوتی Hielscher برای سنتز سونوشیمیایی، عامل‌دارسازی، نانوساختاردهی و کلوخه‌زدایی، هم‌اکنون در سراسر جهان در مقیاس تجاری نصب شده‌اند. همین حالا با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ مرحله‌ای از فرایند تولید باتری شما که با نانومواد سروکار دارد گفت‌وگو کنیم! کارکنان باتجربهٔ ما با کمال میل اطلاعات بیشتری دربارهٔ نتایج برتر پراکنش، سامانه‌های فراصوتی با عملکرد بالا و قیمت‌ها در اختیار شما می‌گذارند!
با بهره‌گیری از مزیت فراصوت‌دهی، تولید پیشرفتهٔ الکترود و الکترولیت شما از نظر بازده، سادگی و هزینهٔ پایین، در مقایسه با سایر تولیدکنندگان الکترود برتری خواهد داشت!

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما را ارائه می‌دهد: