Elektrodimateriaalien sonokemiallinen synteesi akkujen valmistukseen

Suorituskykyisten akkukennojen valmistuksessa nanorakenteisilla materiaaleilla ja nanokomposiiteilla on tärkeä rooli, sillä ne tarjoavat erinomaisen sähkönjohtavuuden, suuremman varastointitiheyden, suuren kapasiteetin ja luotettavuuden. Nanomateriaalien kaikkien toiminnallisten ominaisuuksien saavuttamiseksi nanohiukkaset on dispergoitava yksittäin tai eksfolioitava, ja ne saattavat tarvita muita käsittelyvaiheita, kuten funktionalisointia. Ultraääneen perustuva nanokäsittely on ylivertainen, tehokas ja luotettava tekniikka suorituskykyisten nanomateriaalien ja nanokomposiittien tuottamiseen edistykselliseen akkujen valmistukseen.

Sähkökemiallisesti aktiivisten materiaalien ultraäänidispergointi elektrodilietteissä

Nanomateriaaleja käytetään innovatiivisina elektrodimateriaaleina, mikä on parantanut ladattavien akkujen suorituskykyä merkittävästi. Agglomeroitumisen, aggregoitumisen ja faasien erottumisen estäminen on ratkaisevan tärkeää valmistettaessa lietteitä elektrodien valmistusta varten, erityisesti silloin, kun mukana on nanokokoisia materiaaleja. Nanomateriaalit suurentavat akkuelektrodien aktiivista pinta-alaa, minkä ansiosta elektrodit voivat ottaa vastaan enemmän energiaa lataussyklien aikana ja kasvattaa kokonaisenergiavarastointikapasiteettiaan. Nanomateriaalien kaikkien etujen hyödyntämiseksi nämä nanorakenteiset hiukkaset on irrotettava toisistaan ja jaettava erillisiksi hiukkasiksi elektrodilietteeseen. Ultraäänidispergointitekniikka tuottaa kohdennettuja voimakkaita leikkausvoimia (sonomekaanisia voimia) sekä sonokemiallista energiaa, mikä johtaa nanokokoisten materiaalien sekoittumiseen atomitasolla ja kompleksinmuodostukseen.
Nanohiukkaset, kuten grafeeni, hiilinanoputket (CNT), metallit ja harvinaisten maametallien mineraalit, on dispergoitava tasaisesti vakaaseen lietteeseen, jotta saadaan erittäin toimivia elektrodimateriaaleja.
Esimerkiksi grafeenin ja hiilinanoputkien tiedetään hyvin parantavan akkukennojen suorituskykyä, mutta hiukkasten agglomeroituminen on estettävä. Tämä tarkoittaa, että suorituskykyinen dispergointitekniikka, jolla voidaan käsitellä nanomateriaaleja ja mahdollisesti myös suuren viskositeetin materiaaleja, on ehdottoman välttämätön. Anturityyppiset ultraäänilaitteet tarjoavat suorituskykyisen dispergointimenetelmän, jolla voidaan käsitellä nanomateriaaleja luotettavasti ja tehokkaasti myös suurilla kiintoainepitoisuuksilla.

Miksi ultraäänikäsittely on ylivertainen tekniikka nanomateriaalien käsittelyssä?

Kun muut dispergointi- ja sekoitustekniikat, kuten suurten leikkausvoimien sekoittimet, helmimyllyt tai korkeapainehomogenisaattorit, saavuttavat rajansa, ultraäänikäsittely erottuu edukseen mikro- ja nanohiukkasten käsittelymenetelmänä.
Suuritehoinen ultraääni ja ultraäänellä aikaansaatu akustinen kavitaatio tarjoavat ainutlaatuiset energiaolosuhteet ja äärimmäisen suuren energiatiheyden, joiden avulla voidaan hajottaa nanomateriaalien agglomeraatteja tai eksfolioida nanomateriaaleja, funktionalisoida niitä, syntetisoida nanorakenteita alhaalta ylöspäin etenevissä prosesseissa ja valmistaa suorituskykyisiä nanokomposiitteja.
Koska Hielscher-ultraäänilaitteet mahdollistavat tärkeimpien ultraäänikäsittelyparametrien, kuten intensiteetin (Ws/mL), amplitudin (µm), lämpötilan (ºC/ºF) ja paineen (bar), tarkan hallinnan, käsittelyolosuhteet voidaan säätää yksilöllisesti kunkin materiaalin ja prosessin kannalta optimaalisiksi. Ultraäänidispergointilaitteet ovat siten erittäin monipuolisia, ja niitä voidaan käyttää lukuisissa sovelluksissa, kuten hiilinanoputkien dispergoinnissa, grafeenin eksfoliaatiossa, ydin–kuorihiukkasten sonokemiallisessa synteesissä tai piinanohiukkasten funktionalisoinnissa.

SEM-mikrokuvia sonokemiallisesti valmistetusta Na0.44MnO2-yhdisteestä, jota kalsinoitiin 900°C:ssa 2 h.
(Tutkimus ja kuva: ©Shinde et al., 2019)

Lue lisää Hielscherin teollisista ultraäänilaitteista nanomateriaalien käsittelyyn akkujen valmistuksessa!

Alla esitellään erilaisia ultraääneen perustuvia nanomateriaalien käsittelysovelluksia:

Nanokomposiittien ultraäänisynteesi

Grafeeni–SnO₂ -nanokomposiitin ultraäänisynteesi: Deosakarin ja muiden tutkimusryhmä (2013) kehitti ultraääniavusteisen menetelmän grafeeni–SnO2-nanokomposiitin valmistamiseen. He tutkivat suuritehoisen ultraäänen synnyttämiä kavitaatiovaikutuksia grafeeni–SnO2-komposiitin synteesin aikana. Ultraäänikäsittelyyn he käyttivät Hielscher Ultrasonics -laitetta. Tulokset osoittavat, että ultraääni parantaa SnO₂ -yhdisteen hienojakoista ja tasaista kerrostumista grafeeninanoarkeille grafeenioksidin ja SnCl₂·2H₂O-yhdisteen välisessä hapetus–pelkistysreaktiossa verrattuna tavanomaisiin synteesimenetelmiin.

Kaavio, joka havainnollistaa grafeenioksidin ja SnO₂–grafeeninanokomposiitin muodostumisprosessia.
(Tutkimus ja kuvat: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeeninanokomposiitti on valmistettu onnistuneesti uudella ja tehokkaalla ultraääniavusteisella liuospohjaisella kemiallisella synteesimenetelmällä, ja grafeenioksidi pelkistettiin SnCl₂ -yhdisteellä grafeeniarkeiksi HCl:n läsnä ollessa. TEM-analyysi osoittaa SnO₂ -yhdisteen tasaisen ja hienojakoisen kerrostumisen grafeeninanoarkkeihin. Ultraäänisäteilytyksen synnyttämien kavitaatiovaikutusten on osoitettu tehostavan SnO2-yhdisteen hienojakoista ja tasaista kerrostumista grafeeninanoarkeille grafeenioksidin ja SnCl₂·2H₂O-yhdisteen välisessä hapetus–pelkistysreaktiossa. SnO2-nanohiukkasten (3–5 nm) tehostuneen hienojakoisen ja tasaisen kerrostumisen pelkistetyille grafeeninanoarkeille katsotaan johtuvan tehostuneesta ydintymisestä ja liuenneen aineen siirtymisestä ultraäänisäteilytyksen aikaansaaman kavitaatiovaikutuksen ansiosta. SnO₂ -nanohiukkasten hienojakoinen ja tasainen kerrostuminen grafeeninanoarkeille vahvistettiin myös TEM-analyysillä. Syntetisoidun SnO₂–grafeeninanokomposiitin käyttö anodimateriaalina litiumioniakuissa on osoitettu. SnO₂–grafeeninanokomposiittiin perustuvan Li-akun kapasiteetti pysyy vakaana noin 120 syklin ajan, ja akku pystyi toistamaan vakaan lataus–purkausreaktion. (Deosakar et al., 2013)

TEM-kuva SnO₂–grafeeninanokomposiitista, joka on valmistettu sonokemiallisella menetelmällä. Mittakaavajana osoittaa kuvassa (A) 10nm ja kuvassa (B) 5nm.
(Tutkimus ja kuvat: ©Deosakar et al., 2013)

Nanohiukkasten ultraäänidispergointi akkulietteisiin

Elektrodikomponenttien dispergointi: Waser et al. (2011) valmistivat elektrodeja litiumrautafosfaatista (LiFePO₄). Liete sisälsi aktiivisena materiaalina LiFePO4-yhdistettä ja sähköä johtavana lisäaineena hiilimustaa, ja sideaineena käytettiin N-metyylipyrrolidinoniin (NMP) liuotettua polyvinylideenifluoridia. Elektrodien AM/CB/PVDF-massasuhde (kuivauksen jälkeen) oli 83/8,5/8,5. Suspensioiden valmistamiseksi kaikki elektrodin ainesosat sekoitettiin NMP:ssä ultraäänisekoittimella (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min ajan 200 W:n teholla ja 24 kHz:n taajuudella.
Heikko sähkönjohtavuus ja hidas Li-ionien diffuusio LiFePO₄ -yhdisteen yksiulotteisissa kanavissa voidaan voittaa sisällyttämällä LiFePO₄ -yhdiste johtavaan matriisiin, kuten hiilimustaan. Koska nanokokoiset hiukkaset ja ydin–kuorihiukkasrakenteet parantavat sähkönjohtavuutta, ultraäänidispergointitekniikka ja ydin–kuorihiukkasten sonokemiallinen synteesi mahdollistavat ylivertaisten nanokomposiittien tuottamisen akkusovelluksiin.

Litiumrautafosfaatin dispergointi: Hagbergin tutkimusryhmä (Hagberg et al., 2018) käytti ultraäänilaitetta UP100H litiumrautafosfaatilla (LFP) päällystetyistä hiilikuiduista koostuvan rakenteellisen positiivisen elektrodin valmistukseen. Hiilikuidut ovat jatkuvia, itsenäisesti koossa pysyviä kuitukimppuja, jotka toimivat virrankerääjinä ja tuottavat mekaanista jäykkyyttä ja lujuutta. Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi kuidut päällystetään yksittäin esimerkiksi elektroforeettisella pinnoituksella.
LFP:stä, CB:stä ja PVDF:stä koostuvien seosten erilaisia painosuhteita testattiin. Näillä seoksilla päällystettiin hiilikuituja. Koska epähomogeenisen jakautumisen vuoksi pinnoituskylvyn koostumus saattaa poiketa itse pinnoitteen koostumuksesta, eroa minimoidaan voimakkaalla ultraäänisekoituksella.
He havaitsivat, että hiukkaset ovat suhteellisen hyvin dispergoituneita koko pinnoitteessa, minkä katsotaan johtuvan pinta-aktiivisen aineen (Triton X-100) käytöstä ja elektroforeettista pinnoitusta edeltävästä ultraäänikäsittelyvaiheesta.

Poikkileikkauskuvia ja suuren suurennuksen SEM-kuvia EPD-pinnoitetuista hiilikuiduista. LFP:n, CB:n ja PVDF:n seos homogenisoitiin ultraäänellä käyttäen ultraäänilaitetta UP100H. Suurennukset: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Tutkimus ja kuva: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ -komposiittikatodimateriaalin dispergointi:
Vidal et al. (2013) tutkivat käsittelyvaiheiden, kuten ultraäänikäsittelyn, paineen ja materiaalin koostumuksen, vaikutusta LiNi_0.5Mn_1.5O₄-komposiittikatodeihin.
Positiiviset komposiittielektrodit sisälsivät aktiivisena materiaalina LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinelliä, grafiitin ja hiilimustan seosta elektrodin sähkönjohtavuuden lisäämiseksi sekä joko polyvinylideenifluoridia (PVDF) tai PVDF:n ja pienen Teflon®-määrän (1 wt%) seosta elektrodin rakenteen muodostamiseksi. Ne valmistettiin nauhavalulla virrankerääjänä toimivalle alumiinifoliolle käyttäen kaavinterätekniikkaa. Lisäksi komponenttiseoksia joko käsiteltiin ultraäänellä tai ei käsitelty, ja valmistetut elektrodit joko tiivistettiin tai jätettiin tiivistämättä myöhemmässä kylmäpuristuksessa. Kahta koostumusta testattiin:
A-koostumus (ilman Teflon®-lisäystä): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% hiilimustaa; 2,5 wt% grafiittia; 12 wt% PVDF:ää
B-koostumus (Teflon®-lisäyksellä): 78 wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 wt% hiilimustaa; 2,5 wt% grafiittia; 11 wt% PVDF:ää; 1 wt% Teflon®-materiaalia
Molemmissa tapauksissa komponentit sekoitettiin ja dispergoitiin N-metyylipyrrolidinoniin (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinelli (2g) yhdessä muiden komponenttien kanssa edellä määritellyissä prosenttiosuuksissa dispergoitiin 11 ml:aan NMP:tä. Joissakin tapauksissa seosta käsiteltiin ultraäänellä 25 min ja sekoitettiin sen jälkeen huoneenlämmössä 48 h. Muissa tapauksissa seosta ainoastaan sekoitettiin huoneenlämmössä 48 h eli ilman ultraäänikäsittelyä. Ultraäänikäsittely edistää elektrodikomponenttien homogeenista dispergoitumista, ja saatu LNMS-elektrodi näyttää tasaisemmalta.
Valmistettiin ja tutkittiin litiumioniakkujen positiivisina elektrodeina komposiittielektrodeja, joiden paino oli suuri, jopa 17mg/cm2. Teflon®-lisäys ja ultraäänikäsittelyn käyttö tuottavat tasaisia elektrodeja, jotka tarttuvat hyvin alumiinifolioon. Molemmat parametrit parantavat suurilla purkausnopeuksilla (5C) saatavaa kapasiteettia. Elektrodi–alumiinikokoonpanojen lisätiivistäminen parantaa elektrodien nopeusominaisuuksia huomattavasti. Purkausnopeudella 5C havaitaan huomattava kapasiteetin säilyminen, 80%:n ja 90%:n välillä, elektrodeissa, joiden paino on 3–17mg/cm², joiden koostumus sisältää Teflon®-materiaalia, jotka on valmistettu komponenttiseostensa ultraäänikäsittelyn jälkeen ja jotka on tiivistetty paineella 2 tonnia/cm².
Yhteenvetona elektrodit, joiden koostumus sisälsi 1 wt% Teflon®-materiaalia, joiden komponenttiseoksille tehtiin ultraäänikäsittely, jotka tiivistettiin paineella 2 tonnes/cm2 ja joiden paino oli 2,7–17 mg/cm2, osoittivat huomattavia nopeusominaisuuksia. Jopa suurella virralla 5C normalisoitu purkauskapasiteetti oli 80%:n ja 90%:n välillä kaikilla näillä elektrodeilla. (vrt. Vidal et al., 2013)

Suorituskykyiset ultraäänidispergointilaitteet akkujen valmistukseen

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee suuritehoisia, suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joita käytetään litiumioniakkujen (LIB), natriumioniakkujen (NIB) ja muiden akkukennojen katodi-, anodi- ja elektrolyyttimateriaalien käsittelyyn. Hielscherin ultraäänijärjestelmiä käytetään nanokomposiittien syntetisointiin, nanohiukkasten funktionalisointiin ja nanomateriaalien dispergointiin homogeenisiksi, vakaiksi suspensioiksi.
Hielscher tarjoaa ultraääniprosessoreita laboratoriomittakaavasta täyteen teolliseen mittakaavaan ja on suorituskykyisten ultraäänidispergointilaitteiden markkinajohtaja. Yli 30 vuotta nanomateriaalien synteesin ja koon pienentämisen alalla toiminut Hielscher Ultrasonics omaa laajan kokemuksen nanohiukkasten ultraäänikäsittelystä ja tarjoaa markkinoiden tehokkaimmat ja luotettavimmat ultraääniprosessorit. Saksalainen insinööriosaaminen tarjoaa uusinta tekniikkaa ja vankkaa laatua.
Edistyksellinen tekniikka, suuri suorituskyky ja kehittynyt ohjelmisto tekevät Hielscherin ultraäänilaitteista luotettavia työjuhtia elektrodien valmistusprosessiin. Kaikki ultraäänijärjestelmät valmistetaan päätoimipaikassa Teltowissa Saksassa, niiden laatu ja kestävyys testataan, ja sen jälkeen ne toimitetaan Saksasta kaikkialle maailmaan.
Hielscherin ultraäänilaitteiden kehittynyt laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset ja käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat kestäviä, ja niiden suorituskyky pysyy tasaisena, mikä mahdollistaa niiden asentamisen vaativiin ympäristöihin ja käytön raskaissa käyttöolosuhteissa. Käyttöasetukset ovat helposti käytettävissä ja säädettävissä intuitiivisesta valikosta, jota voidaan käyttää digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimella toimivan etäohjauksen kautta. Kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan siten automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkastella ja vertailla aiempia ultraäänikäsittelyjä sekä optimoida nanomateriaalien ja komposiittien synteesin, funktionalisoinnin ja dispergoinnin mahdollisimman tehokkaiksi.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti nanomateriaalien sonokemialliseen synteesiin, ja ne ovat osoittautuneet luotettaviksi nanohiukkasten dispergoinnissa vakaiksi kolloidisiksi suspensioiksi. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat toimia jatkuvasti suurilla amplitudeilla, ja ne on rakennettu 24/7-käyttöön. Jopa 200µm:n amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti vakiosonotrodeilla (ultraäänianturit / -torvet). Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Hielscherin ultraääniprosessoreita sonokemialliseen synteesiin, funktionalisointiin, nanorakenteistukseen ja agglomeraattien hajottamiseen on jo asennettu kaupallisessa mittakaavassa eri puolille maailmaa. Ota meihin yhteyttä nyt keskustellaksesi nanomateriaaleja sisältävästä prosessivaiheestasi akkujen valmistuksessa! Kokenut henkilökuntamme antaa mielellään lisätietoja ylivertaisista dispergointituloksista, suorituskykyisistä ultraäänijärjestelmistä ja hinnoista!
Ultraäänikäsittelyn ansiosta edistyksellinen elektrodien ja elektrolyyttien tuotantosi erottuu edukseen tehokkuudellaan, yksinkertaisuudellaan ja alhaisilla kustannuksillaan muihin elektrodien valmistajiin verrattuna!

Alla oleva taulukko antaa viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: