Akkujen tuotantoon käytettävien elektrodimateriaalien sonokemiallinen synteesi

Suorituskykyisten akkukennojen tuotannossa nanorakenteisilla materiaaleilla ja nanokomposteilla on tärkeä rooli, joka tarjoaa erinomaisen sähkönjohtavuuden, suuremman varastointitiheyden, suuren kapasiteetin ja luotettavuuden. Nanomateriaalien täydellisten toimintojen saavuttamiseksi nanohiukkaset on dispergoituvat tai kuorittava yksilöllisesti ja ne saattavat tarvita lisäkäsittelyvaiheita, kuten funktionalisointia. Ultraääni nano-käsittely on ylivoimainen, tehokas ja luotettava tekniikka tuottaa korkean suorituskyvyn nanomateriaaleja ja nanokomposiitit edistyneeseen akkutuotantoon.

Sähkökemiallisesti aktiivisten materiaalien ultraäänidispersio elektrodilietteissä

Nanomateriaaleja käytetään innovatiivisina elektrodimateriaaleina, mikä paransi merkittävästi ladattavien akkujen suorituskykyä. Taajaman, aggregoinnin ja faasierottelun voittaminen on ratkaisevan tärkeää lietteiden valmistamiseksi elektrodien valmistusta varten, varsinkin kun kyseessä on nanokokoisia materiaaleja. Nanomateriaalit lisäävät akkuelektrodien aktiivista pinta-alaa, mikä antaa niille mahdollisuuden imeä enemmän energiaa latausjaksojen aikana ja lisätä niiden yleistä energian varastointikapasiteettia. Nanomateriaalien täyden hyödyn saamiseksi näiden nanorakenteisten hiukkasten on oltava de-entangleja ja jakautuvat erillisinä hiukkasina elektrodilietteeseen. Ultraäänidispergointitekniikka tarjoaa keskittyneitä korkean leikkausten (sonomechnical) voimia sekä sonokemiallista energiaa, mikä johtaa atomitason sekoittumiseen ja nanokokoisten materiaalien kompleksaatioon.
Nanohiukkaset, kuten grafeeni, hiilinanoputket, metallit ja harvinaiset maametallit, on dispergoituttava tasaisesti vakaaseen liettoon erittäin toimivien elektrodimateriaalien saamiseksi.
Esimerkiksi grafeenin ja CNT: n tiedetään parantavan akkukennojen suorituskykyä, mutta hiukkasten taajama on voitettava. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan ehdottomasti korkean suorituskyvyn dispersiotekniikkaa, joka pystyy käsittelemään nanomateriaaleja ja mahdollisesti korkeita viskositeettia. Anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat korkean suorituskyvyn dispergointimenetelmä, joka voi käsitellä nanomateriaaleja jopa suurilla kiinteillä kuormilla luotettavasti ja tehokkaasti.

Miksi sonikaatio on ylivoimainen tekniikka nanomateriaalien käsittelyyn?

Kun muut dispergointi- ja sekoitustekniikat, kuten korkealeikkaussekoittimet, helmimyllyt tai korkeapaineiset homogenisaattorit, tulevat äärirajoilleen, ultrasonication on menetelmä, joka erottuu mikroni- ja nanohiukkasten käsittelystä.
Suuritehoinen ultraääni ja ultraäänellä tuotettu akustinen kavitaatio tarjoavat ainutlaatuisia energiaolosuhteita ja äärimmäistä energiatiheyttä, jonka avulla nanomateriaalit voivat deagglomeroida tai kuoria, funktionaloi niitä, syntetisoida nanorakenteita alhaalta ylöspäin ja valmistaa korkean suorituskyvyn nanokompositeja.
Koska Hielscherin ultraäänilaitteet mahdollistavat tärkeimpien ultraäänikäsittelyparametrien, kuten voimakkuuden (Ws / ml), amplitudin (μm), lämpötilan (ºC / ºF) ja paineen (bar), tarkan hallinnan käsittelyolosuhteet voidaan säätää yksilöllisesti optimaalisiin asetuksiin kullekin materiaalille ja prosessille. Siten ultraäänidispersiot ovat erittäin monipuolisia ja niitä voidaan käyttää lukuisiin sovelluksiin, kuten CNT-dispersio, grafeenin kuorinta, ydinkuorihiukkasten sonokemiallinen synteesi tai piinanohiukkasten funktionalisointi.

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

Lue lisää Hielscherin teollisista ultraäänilataajista nanomateriaalien käsittelyyn akkujen valmistuksessa!

Alla on erilaisia nanomateriaalien käsittelyn ultraäänellä johdettuja sovelluksia:

Nanokomposiittien ultraäänisynteesi

Grafeenin–SnO: n ultraäänisynteesi₂ nanokomposiitti: Deosakar et al. (2013) -tutkimusryhmä 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, että SnO: n hieno ja yhtenäinen kuormitus on ultraäänellä parantunut₂ grafeenin nanolevyillä hapettamalla–pelkistämällä grafeenioksidin ja SnCl:n välillä₂· 2H₂O verrattuna perinteisiin synteesimenetelmiin.

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

SnO₂–grafeenin nanokomposiitti on valmisteltu onnistuneesti uuden ja tehokkaan ultraääniavusteisen liuospohjaisen kemiallisen synteesireitin kautta, ja grafeenioksidia vähennettiin SnCl: llä₂ grafeenilevyihin HCl:n läsnä ollessa.₂ grafeenin nanolevyissä. Ultraäänisäteilyjen käytöstä johtuvien kavitaatiovaikutusten on osoitettu tehostavan SnO2: n hienoa ja yhtenäistä kuormitusta grafeenin nanolevyihin hapettumisen ja vähennysreaktion aikana grafeenioksidin ja SnCl: n välillä.₂· 2H₂O. SnO2-nanohiukkasten (3–5 nm) tehostettu hieno ja tasainen kuormitus pelkistettyihin grafeenin nanolevyihin johtuu lisääntyneestä nukleaatiosta ja liukoisen siirrosta ultraäänisäteilyn aiheuttaman kavitaatiovaikutuksen vuoksi. SnO:n hieno ja yhtenäinen lastaus₂ nanohiukkaset grafeenin nanolevyissä vahvistettiin myös TEM-analyysistä. Syntetisoidun SnO: n soveltaminen₂–grafeenin nanokomposiitti litiumioniakkujen anodimateriaalina on osoitettu. SnO:n kapasiteetti₂–grafeenin nanokomposiittipohjainen Li-akku on stabiili noin 120 syklin ajan, ja akku voi toistaa vakaan lataus-purkausreaktion. (Deosakar et ai., 2013)

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

Nanohiukkasten ultraäänidispersio akkulietteen

Sähkökomponenttien dispersio: Waser et al. (2011) valmisti elektrodeja litium-rautafosfaatilla (LiFePO₄). Liete sisälsi LiFePO4: ää aktiivisena materiaalina, hiilimustaa sähköä johtavana lisäaineena, N- metyylipyrrolidinoniin (NMP) liuotettu polyvinyylidiinifluoridi käytettiin sideaineena. AM/CB/PVDF:n massasuhde (kuivauksen jälkeen) elektrodeissa oli 83/8,5/8,5. Suspensioiden valmistamiseksi kaikki elektrodin ainesosat sekoitettiin NMP: hen ultraäänisekoittimella (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 minuutin ajan 200 W:n ja 24 kHz:n taajuudella.
Alhainen sähkönjohtavuus ja hidas li-ion-diffuusio 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 ylivoimaisten nanokomposiittien tuottamisen akkusovelluksiin.

Litium-rautafosfaatin dispersio: Hagbergin tutkimusryhmä (Hagberg ym., 2018) käytti ultraääni UP100H litium-rautafosfaattipinnoitetusta hiilikuidusta koostuvan rakenteellisen positiivisen elektrodin menettelyssä. Hiilikuidut ovat jatkuvia, itsenäisiä hinaajia, jotka toimivat virtakeräilijöinä ja tarjoavat mekaanisen jäykkyyden ja lujuuden. Optimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi kuidut päällystetään yksilöllisesti, esimerkiksi käyttämällä elektroforeettista laskeumaa.
LFP:stä, CB:stä ja PVDF:stä koostuvien seosten painosuhteet testattiin eri painoasteina. Nämä seokset päällystettiin hiilikuiduilla. Koska inhomogeeninen jakautuminen pinnoitteen kylpykoostumuksissa voi poiketa itse pinnoitteen koostumuksesta, eron minimoimiseksi käytetään tiukkaa sekoittamista ultraäänellä.
He totesivat, että hiukkaset ovat suhteellisen hyvin hajallaan koko pinnoitteessa, joka johtuu pinta-aktiivisen aineen (Triton X-100) käytöstä ja ultraäänivaiheesta ennen elektroforeettista laskeumaa.

Poikkileikkaus- ja suurennuskuvat SEM-kuvia EPD-pinnoitetuista hiilikuiduista. LFP:n, CB:n ja PVDF:n seos homogenoitiin ultraäänellä ultraääni UP100H. Suurennukset: a) 0,8 kx, b) 0,8 kx, c) 1,5 kx, d) 30 kx.
(Tutkimus ja kuva: ©Hagberg et ai., 2018)

LiNi:n leviäminen_00,5mn_1,5O₄ komposiittikatosimateriaali:
Vidal et al. (2013) tutki käsittelyvaiheiden, kuten sonikoinnin, paineen ja materiaalikoostumuksen, vaikutusta LiNi:lle_00,5mn_1,5O₄komposiittikatodit.
Positiiviset komposiittielektrodit, joilla on LiNi_00,5 mn_1,5O4 spinel aktiivisena materiaalina, sekoitus grafiittia ja hiilimustaa sähkönjohtavuuden lisäämiseksi ja joko polyvinyylideenifluoridi (PVDF) tai PVDF:n sekoitus pienellä määrällä teflonia® (1 wt%) elektrodin rakentamiseen. Ne on käsitelty teippivalulla alumiinifoliolle virtakeräimenä lääkärin terätekniikkaa käyttäen. Lisäksi komponenttiseokset joko sonikoitiin tai ei, ja käsitellyt elektrodit tiivistettiin tai niitä ei jälkipuristimessa. On testattu kaksi formulaatiota:
A-formulaatio (ilman teflonia®): 78 wt% LiNi_00,5 mn_1,5O4; 7,5 wt% Hiilimusta; 2,5 wt% grafiitti; 12 wt% PVDF
B-formulaatio (teflonin® kanssa): 78wt% LiNi0_00,5mn_1,5O4; 7.5wt% Hiilimusta; 2,5 wt% grafiitti; 11 wt% PVDF; 1 wt% teflon®
Molemmissa tapauksissa komponentit sekoitettiin ja dispergoituivat N- metyylipyrrolidinoniin (NMP). LiNi_00,5 mn_1,5O4 spinel (2g) yhdessä muiden komponenttien kanssa mainituissa prosenttiosuuksissa, jotka oli jo määritetty, levitettiin 11 ml: aan NMP: ää. Joissakin erityistapauksissa seosta sonikoitiin 25 minuutin ajan ja sekoitettiin sitten huoneenlämmössä 48 tunnin ajan. Toisissa seosta seosta sekoitettiin huoneenlämmössä 48 tuntia eli ilman sonikaatiota. Sonikaatiokäsittely edistää elektrodikomponenttien homogeenista dispersiota ja saatu LNMS-elektrodi näyttää tasaisemmalta.
Komposiittielektrodeja, joiden paino on jopa 17 mg/cm2, valmistettiin ja tutkittiin positiivisina elektrodeina litiumioniakuille. Teflonin® lisääminen ja sonikaatiokäsittelyn soveltaminen johtavat yhdenmukaisiin elektrodeihin, jotka ovat hyvin kiinni alumiinifoliossa. Molemmat parametrit auttavat parantamaan suurilla nopeuksilla (5C) valutettua kapasiteettia. Elektrodi-/alumiinikokoonpanojen lisätiivistyminen parantaa huomattavasti elektrodinopeusominaisuuksia. 5C-nopeudella huomattava kapasiteetin pysyvyys välillä 80% ja 90% löytyy elektrodeille, joiden paino on välillä 3-17 mg / cm², teflon® on valmistettu komponenttiseosten sonikoinnin jälkeen ja tiivistetty alle 2 tonniin/cm².
Yhteenvetona voidaan todeta, että elektrodit, joiden formulaatiossa on 1 wt% teflonia®, niiden komponenttiseokset, jotka on tiivistetty sonikaatiokäsittelyyn ja tiivistetty 2 tonniin /cm2 ja joiden painot olivat välillä 2,7–17 mg/cm2, osoittivat huomattavaa nopeuskykyä. Jopa 5C: n suurella virralla normalisoitu purkauskapasiteetti oli 80-90% kaikille näille elektrodeille. (vrt. Vidal ym., 2013)

Korkean suorituskyvyn ultraäänidispersorit akun tuotantoon

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakaa suuritehoisia, suorituskykyisiä ultraäänilaitteita, joita käytetään katodin, anodin ja elektrolyyttimateriaalien käsittelyyn litiumioniakuissa (LIB), natriumioniakuissa (NIB) ja muissa akkukennoissa. Hielscherin ultraäänijärjestelmiä käytetään syntetisoida nanokomposiitit, funktionisoi nanohiukkasia ja hajottaa nanomateriaaleja homogeenisiin, vakaisiin suspensioihin.
Hielscher tarjoaa portfolion laboratoriosta täysin teollisen mittakaavan ultraääniprosessoreihin, ja se on korkean suorituskyvyn ultraäänidispersoonien markkinajohtaja. Hielscher Ultrasonicsilla on ollut laaja kokemus ultraääninanohiukkasten käsittelystä yli 30 vuoden ajan nanomateriaalisynteesin ja koon pienentämisen alalla ja tarjoaa markkinoiden tehokkaimmat ja luotettavimmat ultraääniprosessorit. Saksalainen tekniikka tarjoaa uusinta tekniikkaa ja vankkaa laatua.
Kehittynyt tekniikka, suorituskykyinen ja hienostunut ohjelmisto tekevät Hielscherin ultraäänilataattomista luotettavia työhevosia elektrodin valmistusprosessissa. Kaikki ultraäänijärjestelmät valmistetaan pääkonttorissa Teltowissa, Saksassa, testattu laadun ja kestävyyden suhteen, ja ne jaetaan sitten Saksasta ympäri maailmaa.
Hielscherin ultraäänilaitteiden hienostunut laitteisto ja älykäs ohjelmisto on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset sekä käyttäjäystävällisyys. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat kestäviä ja suorituskykyisiä, mikä mahdollistaa niiden asentamisen vaativiin ympäristöihin ja niiden käyttämiseen raskaissa olosuhteissa. Toiminta-asetuksiin pääsee helposti 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 dispersion mahdollisimman tehokkaasti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti nanomateriaalien sonokemialliseen synteesiin, ja ne ovat osoittautuneet luotettaviksi nanohiukkasten leviämiseen stabiileihin kolloidisiin suspensioihin. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat jatkuvasti käyttää korkeita amplitudeja ja ne on rakennettu 24/7-toimintaan. Jopa 200 μm amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet). Vielä korkeampia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Hielscherin ultraääniprosessorit sonokemialliseen synteesiin, funktionalisointiin, nanorakenteeseen ja deagglomeraatioon on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi prosessivaiheestasi, joka sisältää nanomateriaaleja akkujen valmistukseen! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisätietoja erinomaisista hajontatuloksista, korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Ultraäänen avulla edistynyt elektrodi- ja elektrolyyttituotantosi on erinomainen tehokkuudessa, yksinkertaisuudessa ja alhaisissa kustannuksissa verrattuna muihin elektrodivalmistajiin!

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: