Elektrodimateriaalien sonokemiallinen synteesi paristojen valmistukseen

Korkean suorituskyvyn akkukennojen tuotannossa nanorakenteisilla materiaaleilla ja nanokomposiiteilla on tärkeä rooli erinomaisen sähkönjohtavuuden, suurempien varastointitiheyksien, suuren kapasiteetin ja luotettavuuden tarjoamisessa. Nanomateriaalien kaikkien toimintojen saavuttamiseksi nanohiukkaset on hajotettava tai kuorittava yksittäin, ja ne saattavat edellyttää lisäkäsittelyvaiheita, kuten funktionalisointia. Ultraääninanokäsittely on ylivoimainen, tehokas ja luotettava tekniikka korkean suorituskyvyn nanomateriaalien ja nanokomposiittien tuottamiseksi edistyneeseen akkutuotantoon.

Sähkökemiallisesti aktiivisten materiaalien ultraäänidispersio elektrodilietteissä

Nanomateriaaleja käytetään innovatiivisina elektrodimateriaaleina, mikä paransi ladattavien akkujen suorituskykyä merkittävästi. Taajaman, aggregaation ja faasien erottamisen voittaminen on ratkaisevan tärkeää lietteen valmistamiseksi elektrodien valmistusta varten, erityisesti kun käytetään nanokokoisia materiaaleja. Nanomateriaalit lisäävät akkuelektrodien aktiivista pinta-alaa, minkä ansiosta ne absorboivat enemmän energiaa latausjaksojen aikana ja lisäävät energian kokonaisvarastointikapasiteettiaan. Jotta nanomateriaaleista saataisiin täysi hyöty, nämä nanorakenteiset hiukkaset on irrotettava toisistaan ja jaettava erillisinä hiukkasina elektrodisetteessä. Ultraäänidispergointitekniikka tarjoaa keskittyneitä korkean leikkauksen (sonomechnical) voimia sekä sonokemiallista energiaa, mikä johtaa atomitason sekoittumiseen ja nanokokoisten materiaalien kompleksointiin.
Nanohiukkaset, kuten grafeeni, hiilinanoputket (CNT), metallit ja harvinaisten maametallien mineraalit, on dispergoitava tasaisesti stabiiliin lietteeseen, jotta saadaan erittäin toimivia elektrodimateriaaleja.
Esimerkiksi grafeenin ja CNT:iden tiedetään parantavan akkukennojen suorituskykyä, mutta hiukkasten kasautuminen on voitettava. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan ehdottomasti korkean suorituskyvyn dispersiotekniikkaa, jolla voidaan käsitellä nanomateriaaleja ja mahdollisesti korkeita viskositeetteja. Koetintyyppiset ultraäänilaitteet ovat korkean suorituskyvyn dispergointimenetelmä, joka voi käsitellä nanomateriaaleja jopa suurilla kiinteillä kuormituksilla luotettavasti ja tehokkaasti.

Miksi sonikaatio on nanomateriaalin käsittelyn ylivoimainen tekniikka?

Kun muut dispergointi- ja sekoitustekniikat, kuten korkean leikkaussekoittimet, helmimyllyt tai korkeapainehomogenisaattorit, tulevat rajoihinsa, ultrasonication on menetelmä, joka erottuu mikroni- ja nanohiukkasten käsittelystä.
Suuritehoinen ultraääni ja ultraäänellä tuotettu akustinen kavitaatio tarjoavat ainutlaatuiset energiaolosuhteet ja äärimmäisen energiatiheyden, joka mahdollistaa nanomateriaalien deagglomeroinnin tai kuorinnan, niiden funktionalisoinnin, nanorakenteiden syntetisoimisen alhaalta ylöspäin suuntautuvissa prosesseissa ja korkean suorituskyvyn nanokomposiittien valmistamisen.
Koska Hielscher-ultraäänilaitteet mahdollistavat tärkeimpien ultraäänikäsittelyparametrien, kuten intensiteetin (Ws / ml), amplitudin (μm), lämpötilan (ºC / ºF) ja paineen (bar), tarkan hallinnan, käsittelyolosuhteet voidaan säätää yksilöllisesti optimaalisiin asetuksiin kullekin materiaalille ja prosessille. Näin ollen ultraäänidispergointilaitteet ovat erittäin monipuolisia ja niitä voidaan käyttää lukuisiin sovelluksiin, kuten CNT-dispersioon, grafeenin kuorintaan, ydinkuorihiukkasten sonokemialliseen synteesiin tai piinanohiukkasten funktionalisointiin.

SEM-mikrografiat sonokemiallisesti valmistetusta Na0,44MnO2:sta kalsinoimalla 900 °C:ssa 2 tunnin ajan.
(Tutkimus ja kuva: ©Shinde et ai., 2019)

Lue lisää Hielscherin teollisista ultraäänilaitteista nanomateriaalien käsittelyyn paristojen valmistuksessa!

Alta löydät erilaisia nanomateriaalien käsittelyn ultraäänellä ohjattuja sovelluksia:

Nanokomposiittien ultraäänisynteesi

Grafeenin ultraäänisynteesi–SnO₂ nanokomposiitti: (2013) kehitti ultraäänellä avustetun reitin grafeeni-SnO2-nanokomposiitin valmistamiseksi. He tutkivat suuritehoisen ultraäänen aiheuttamia kavitaatiovaikutuksia grafeeni-SnO2-komposiitin synteesin aikana. Sonikaatiota varten he käyttivät Hielscher Ultrasonics -laitetta. Tulokset osoittavat ultraäänellä parantuneen hienon ja tasaisen SnO: n kuormituksen₂ grafeenin nanolevyillä grafeenioksidin ja SnCl:n välisellä hapetus-pelkistysreaktiolla₂·2H₂O verrattuna tavanomaisiin synteesimenetelmiin.

Kaavio, joka osoittaa grafeenioksidin ja SnO: n muodostumisprosessin₂–grafeenin nanokomposiitti.
(Tutkimus ja kuvat: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeenin nanokomposiitti on onnistuneesti valmistettu uudella ja tehokkaalla ultraääniavusteisella liuospohjaisella kemiallisella synteesireitillä ja grafeenioksidia pelkistettiin SnCl: llä₂ grafeenilevyihin HCl:n läsnä ollessa. TEM-analyysi osoittaa SnO:n tasaisen ja hienon kuormituksen₂ grafeenin nanosheeteissä. Ultraäänisäteilytyksen käytöstä johtuvien kavitaatiovaikutusten on osoitettu tehostavan SnO2: n hienoa ja tasaista kuormitusta grafeenin nanolevyille grafeenioksidin ja SnCl: n välisen hapetus-pelkistysreaktion aikana₂·2H₂O. SnO2-nanohiukkasten (3–5 nm) tehostettu hieno ja tasainen kuormitus pelkistetyille grafeenin nanolevyille johtuu ultraäänisäteilytysten aiheuttamasta lisääntyneestä nukleaatiosta ja liuenneiden aineiden siirrosta. SnO: n hieno ja tasainen kuormitus₂ grafeenin nanolevyjen nanohiukkaset vahvistettiin myös TEM-analyysillä. Syntetisoidun SnO: n käyttö₂–grafeenin nanokomposiitti litiumioniakkujen anodimateriaalina osoitetaan. SnO: n kapasiteetti₂–grafeenin nanokomposiittipohjainen Li-akku on vakaa noin 120 jaksoa, ja akku voi toistaa vakaan lataus-purkausreaktion. (Deosakar et ai., 2013)

TEM-kuva SnO:sta₂–grafeenin nanokomposiitti, joka on valmistettu sonokemiallisella menetelmällä. Palkki osoittaa kohdassa (A) 10 nm , kohdassa (B) klo 5 nm.
(Tutkimus ja kuvat: ©Deosakar et al., 2013)

Nanohiukkasten ultraäänidispersio akkulietteisiin

Elektodikomponenttien hajonta: (2011) valmisti elektrodit litiumrautafosfaatilla (LiFePO₄). Liete sisälsi LiFePO4: ää aktiivisena materiaalina, hiilimusta sähköä johtavana lisäaineena, sideaineena käytettiin N-metyylipyrrolidinoniin (NMP) liuotettua polyvinylideenifluoridia. AM/CB/PVDF:n massasuhde (kuivauksen jälkeen) elektrodeissa oli 83/8,5/8,5. Suspensioiden valmistamiseksi kaikki elektrodin ainesosat sekoitettiin NMP: ssä ultraäänisekoittimen kanssa (UP200H, Hielscherin ultraääni) 2 minuutin ajan 200 W:n ja 24 kHz:n taajuudella.
Alhainen sähkönjohtavuus ja hidas litiumionidiffuusio LiFePO: n yksiulotteisia kanavia pitkin₄ voidaan voittaa upottamalla LiFePO₄ johtavassa matriisissa, esimerkiksi hiilimustassa. Koska nanokokoiset hiukkaset ja ydinkuoren hiukkasrakenteet parantavat sähkönjohtavuutta, ultraäänidispersiotekniikka ja ydinkuorihiukkasten sonokemiallinen synteesi mahdollistavat erinomaisen nanokomposiittien tuottamisen akkusovelluksiin.

Litium-rautafosfaatin dispersio: Hagbergin tutkimusryhmä (Hagberg et al., 2018) käytti ultraäänilaite UP100H litiumrautafosfaatilla (LFP) päällystetyistä hiilikuiduista koostuvan rakenteellisen positiivisen elektrodin menetelmässä. Hiilikuidut ovat jatkuvia, itsestään seisovia hinauksia, jotka toimivat virrankerääjinä ja tarjoavat mekaanisen jäykkyyden ja lujuuden. Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi kuidut päällystetään yksitellen, esimerkiksi elektroforeesipinnoituksella.
LFP:stä, CB:stä ja PVDF:stä koostuvien seosten eri painosuhteita testattiin. Nämä seokset päällystettiin hiilikuiduille. Koska epähomogeeninen jakautuminen päällystyskylpykoostumuksissa saattaa poiketa itse pinnoitteen koostumuksesta, eron minimoimiseksi käytetään tiukkaa sekoittamista ultraäänellä.
He totesivat, että hiukkaset ovat suhteellisen hyvin dispergoituneet koko pinnoitteeseen, mikä johtuu pinta-aktiivisen aineen (Triton X-100) käytöstä ja ultraäänivaiheesta ennen elektroforoottista laskeutumista.

Poikkileikkaus- ja suurennus-SEM-kuvat EPD-pinnoitetuista hiilikuiduista. LFP: n, CB: n ja PVDF: n seos homogenoitiin ultraäänellä käyttämällä ultraäänilaite UP100H. Suurennkset: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Tutkimus ja kuva: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi: n dispersio_0.5Mn_1.5O₄ komposiittikatodimateriaali:
(2013) tutki käsittelyvaiheiden, kuten sonikaation, paineen ja materiaalikoostumuksen, vaikutusta LiNi: lle_0.5Mn_1.5O₄komposiittikatodit.
Positiiviset komposiittielektrodit, joissa on LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinelli aktiivisena materiaalina, grafiitin ja hiilimustan seos elektrodin sähkönjohtavuuden lisäämiseksi ja joko polyvinyylideenifluoridi (PVDF) tai PVDF:n seos pienellä määrällä teflonia® (1 paino-%) elektrodin rakentamiseksi. Ne on käsitelty teippivalamalla alumiinifolioon virrankerääjänä kaavaterätekniikalla. Lisäksi komponenttiseokset joko sonikoitiin tai ei, ja käsitellyt elektrodit tiivistettiin tai ei myöhemmässä kylmäpuristuksessa. Kaksi formulaatiota on testattu:
A-koostumus (ilman teflonia®): 78 paino-% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 paino-% hiilimustaa; 2,5 paino-% grafiittia; 12 paino-% PVDF
B-koostumus (teflonin® kanssa): 78 paino-% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 paino-% hiilimustaa; 2,5 paino-% grafiittia; 11 paino-% PVDF; 1 paino-% teflonia®
Molemmissa tapauksissa komponentit sekoitettiin ja dispergoituivat N-metyylipyrrolidinoniin (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinelli (2g) yhdessä muiden komponenttien kanssa mainituissa prosenttiosuuksissa jo määritettynä dispergoitiin 11 ml: aan NMP: tä. Joissakin erityistapauksissa seosta sonikoitiin 25 minuutin ajan ja sekoitettiin sitten huoneenlämpötilassa 48 tuntia. Joissakin muissa seosta sekoitettiin vain huoneenlämpötilassa 48 tunnin ajan eli ilman sonikaatiota. Sonikaatiokäsittely edistää elektrodikomponenttien homogeenista dispersiota ja saatu LNMS-elektrodi näyttää yhtenäisemmältä.
Komposiittielektrodit, joiden paino oli suuri, jopa 17 mg/cm2, valmistettiin ja tutkittiin positiivisina elektrodeina litiumioniakuille. Teflonin® lisääminen ja sonikaatiokäsittelyn käyttö johtavat yhtenäisiin elektrodeihin, jotka ovat hyvin kiinni alumiinifoliossa. Molemmat parametrit auttavat parantamaan suurilla nopeuksilla tyhjennettyä kapasiteettia (5C). Elektrodi/alumiinikokoonpanojen lisätiivistys parantaa huomattavasti elektrodinopeusominaisuuksia. 5 °C:n nopeudella elektrodeilla, joiden paino on välillä 3–17 mg/cm, havaitaan huomattavat kapasiteetin pidätykset välillä 80–90 %², joiden koostumuksessa on teflon®, valmistettu niiden komponenttiseosten sonikoinnin jälkeen ja tiivistetty alle 2 tonnia / cm².
Yhteenvetona voidaan todeta, että elektrodit, joiden koostumuksessa on 1 paino-% teflonia®, niiden komponenttiseokset, joille on tehty sonikaatiokäsittely, tiivistetty 2 tonniin / cm2 ja joiden painot ovat välillä 2,7-17 mg / cm2, osoittivat huomattavaa nopeuskykyä. Jopa suurella 5 ° C: n virralla normalisoitu purkauskapasiteetti oli 80%: n ja 90%: n välillä kaikille näille elektrodeille. (vrt. Vidal et al., 2013)

Korkean suorituskyvyn ultraäänidispergointilaitteet akkutuotantoon

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee suuritehoisia, korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita, joita käytetään katodi-, anodi- ja elektrolyyttimateriaalien käsittelyyn käytettäväksi litiumioniakuissa (LIB), natriumioniakuissa (NIB) ja muissa akkukennoissa. Hielscherin ultraäänijärjestelmiä käytetään syntetisoimaan nanokomposiitteja, funktionalisoimaan nanohiukkasia ja hajottamaan nanomateriaalit homogeenisiksi, stabiileiksi suspensioiksi.
Tarjoamalla portfolion laboratoriosta täysin teollisen mittakaavan ultraääniprosessoreihin, Hielscher on markkinajohtaja korkean suorituskyvyn ultraäänidispergointilaitteille. Hielscher Ultrasonics työskentelee yli 30 vuoden ajan nanomateriaalisynteesin ja koon pienentämisen alalla, ja sillä on laaja kokemus ultraääninanohiukkasten käsittelystä ja se tarjoaa markkinoiden tehokkaimmat ja luotettavimmat ultraääniprosessorit. Saksalainen insinööritaito tarjoaa huipputeknologiaa ja vankkaa laatua.
Kehittynyt tekniikka, tehokas ja hienostunut ohjelmisto tekevät Hielscher-ultraäänilaitteista luotettavia työhevosia elektrodien valmistusprosessissa. Kaikki ultraäänijärjestelmät valmistetaan pääkonttorissa Teltowissa, Saksassa, testataan laadun ja kestävyyden suhteen ja jaetaan sitten Saksasta ympäri maailmaa.
Hielscher-ultraäänilaitteiden hienostunut laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset sekä käyttäjäystävällisyys. Hielscher-ultraääniastiat ovat vankkoja ja suorituskyvyltään johdonmukaisia, mikä mahdollistaa niiden asentamisen vaativiin ympäristöihin ja niiden käytön raskaissa olosuhteissa. Käyttöasetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi valita intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkistaa ja verrata aiempia sonikaatioajoja ja optimoida nanomateriaalien ja komposiittien synteesin, funktionalisoinnin ja leviämisen mahdollisimman tehokkaasti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti nanomateriaalien sonokemialliseen synteesiin, ja niiden on osoitettu olevan luotettavia nanohiukkasten dispersioon stabiileiksi kolloidisiksi suspensioiksi. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat jatkuvasti ajaa korkeita amplitudit ja ne on rakennettu 24/7 käyttöön. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet). Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Hielscherin ultraääniprosessorit sonokemialliseen synteesiin, funktionalisointiin, nanorakenteeseen ja deagglomeraatioon on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi prosessivaiheestasi, joka liittyy nanomateriaaleihin akkujen valmistuksessa! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisätietoja erinomaisista dispersiotuloksista, korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultrasonicationin etuna kehittynyt elektrodi- ja elektrolyyttituotanto on erinomainen tehokkuudessa, yksinkertaisuudessa ja alhaisissa kustannuksissa verrattuna muihin elektrodivalmistajiin!

Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: