Synthèse sonochimique de matériaux d'électrodes pour la production de batteries

Dans la production de cellules de batterie à haute performance, les matériaux nanostructurés et les nanocomposites jouent un rôle important en offrant une conductivité électrique supérieure, des densités de stockage plus élevées, une grande capacité et une grande fiabilité. Afin d'atteindre toutes les fonctionnalités des nanomatériaux, les nanoparticules doivent être dispersées ou exfoliées individuellement et peuvent nécessiter d'autres étapes de traitement telles que la fonctionnalisation. Le nanotraitement ultrasonique est la technique supérieure, efficace et fiable pour produire des nanomatériaux et des nanocomposites de haute performance pour la production de batteries avancées.

Dispersion ultrasonique de matériaux électrochimiquement actifs dans les boues d'électrodes

Les nanomatériaux sont utilisés comme matériaux d'électrode innovants, ce qui a permis d'améliorer considérablement les performances des batteries rechargeables. Il est essentiel de surmonter les problèmes d'agglomération, d'agrégation et de séparation des phases lors de la préparation des boues destinées à la fabrication des électrodes, en particulier lorsqu'il s'agit de matériaux de taille nanométrique. Les nanomatériaux augmentent la surface active des électrodes de batterie, ce qui leur permet d'absorber plus d'énergie pendant les cycles de charge et d'augmenter leur capacité globale de stockage d'énergie. Pour tirer pleinement parti des nanomatériaux, ces particules nanostructurées doivent être désenchevêtrées et distribuées sous forme de particules distinctes dans la boue de l'électrode. La technologie de dispersion ultrasonique fournit des forces de cisaillement élevées (sonomécanique) ainsi que de l'énergie sonochimique, qui conduisent à un mélange et à une complexation au niveau atomique des matériaux de taille nanométrique.
Les nanoparticules telles que le graphène, les nanotubes de carbone (NTC), les métaux et les minéraux de terres rares doivent être dispersées uniformément dans une boue stable afin d'obtenir des matériaux d'électrodes hautement fonctionnels.
Par exemple, le graphène et les NTC sont bien connus pour améliorer les performances des cellules de batteries, mais l'agglomération des particules doit être surmontée. Cela signifie qu'une technique de dispersion très performante, capable de traiter des nanomatériaux et éventuellement des viscosités élevées, est absolument nécessaire. Les ultrasons de type sonde constituent la méthode de dispersion la plus performante, capable de traiter les nanomatériaux de manière fiable et efficace, même en présence de charges solides élevées.

Pourquoi la sonication est-elle la meilleure technique pour le traitement des nanomatériaux ?

Lorsque d'autres techniques de dispersion et de mélange, telles que les mélangeurs à cisaillement élevé, les broyeurs à perles ou les homogénéisateurs à haute pression, atteignent leurs limites, l'ultrasonication est la méthode qui s'impose pour le traitement des microparticules et des nanoparticules.
Les ultrasons de forte puissance et la cavitation acoustique générée par les ultrasons offrent des conditions énergétiques uniques et une densité d'énergie extrême qui permettent de désagglomérer ou d'exfolier les nanomatériaux, de les fonctionnaliser, de synthétiser des nanostructures dans des processus ascendants et de préparer des nanocomposites de haute performance.
Comme les appareils à ultrasons Hielscher permettent un contrôle précis des principaux paramètres de traitement par ultrasons, tels que l'intensité (Ws/mL), l'amplitude (µm), la température (ºC/ºF) et la pression (bar), les conditions de traitement peuvent être réglées individuellement pour obtenir des paramètres optimaux pour chaque matériau et chaque processus. Les disperseurs à ultrasons sont donc très polyvalents et peuvent être utilisés pour de nombreuses applications, par exemple la dispersion des NTC, l'exfoliation du graphène, la synthèse sonochimique de particules à cœur et à enveloppe ou la fonctionnalisation de nanoparticules de silicium.

Micrographies MEB de Na0.44MnO2 préparé par voie sonochimique par calcination à 900°C pendant 2 h.(Étude et photo : ©Shinde et al., 2019)

En savoir plus sur les ultrasons industriels Hielscher pour le traitement des nanomatériaux dans la fabrication des batteries !

Vous trouverez ci-dessous diverses applications de traitement des nanomatériaux par ultrasons :

Synthèse ultrasonique de nanocomposites

Synthèse par ultrasons de graphène-SnO₂ nanocomposite : L'équipe de recherche de Deosakar et al. (2013) a développé une voie assistée par ultrasons pour préparer un nanocomposite graphène-SnO2. Ils ont étudié les effets de cavitation générés par des ultrasons de forte puissance pendant la synthèse du composite graphène-SnO2. Pour la sonication, ils ont utilisé un appareil Hielscher Ultrasonics. Les résultats démontrent une charge fine et uniforme de SnO₂ sur des feuilles de graphène par une réaction d'oxydo-réduction entre l'oxyde de graphène et SnCl₂-2H₂O par rapport aux méthodes de synthèse conventionnelles.

Graphique démontrant le processus de formation de l'oxyde de graphène et du SnO₂-nanocomposite de graphène.(Étude et photos : ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-Un nanocomposite à base de graphène a été préparé avec succès par une nouvelle voie de synthèse chimique en solution assistée par ultrasons et l'oxyde de graphène a été réduit par SnCl₂ sur des feuilles de graphène en présence de HCl. L'analyse TEM montre la charge uniforme et fine de SnO₂ dans les feuilles de graphène. Il a été démontré que les effets de cavitation produits par l'utilisation d'irradiations ultrasoniques intensifient le chargement fin et uniforme de SnO2 sur les nanofeuillets de graphène pendant la réaction d'oxydoréduction entre l'oxyde de graphène et le SnCl₂-2H₂O. L'intensification de la charge fine et uniforme des nanoparticules de SnO2 (3-5 nm) sur les feuilles de graphène réduites est attribuée à l'amélioration de la nucléation et du transfert de soluté en raison de l'effet de cavitation induit par les irradiations ultrasoniques. La charge fine et uniforme de SnO₂ sur des feuilles de graphène a également été confirmée par l'analyse TEM. L'application des nanoparticules de SnO₂-graphène comme matériau d'anode dans les batteries lithium-ion. La capacité de SnO₂-La batterie Li à base de nanocomposite de graphène est stable pendant environ 120 cycles, et la batterie peut répéter une réaction de charge-décharge stable. (Deosakar et al., 2013)

Image TEM de SnO₂-Nano-composite de graphène préparé par méthode sonochimique. La barre indique à (A) 10nm, à (B) 5nm.(Étude et photos : ©Deosakar et al., 2013)

Dispersion ultrasonique de nanoparticules dans des boues de batteries

Dispersion des composants de l'électode : Waser et al. (2011) ont préparé des électrodes avec du phosphate de fer lithié (LiFePO₄). La suspension contenait du LiFePO4 comme matière active, du noir de carbone comme additif conducteur d'électricité, du fluorure de polyvinylidène dissous dans de la N-méthylpyrrolidinone (NMP) comme liant. Le rapport de masse (après séchage) de l'AM/CB/PVDF dans les électrodes était de 83/8,5/8,5. Pour préparer les suspensions, tous les composants des électrodes ont été mélangés dans la NMP à l'aide d'un agitateur à ultrasons (UP200H, Hielscher Ultrasons) pendant 2 minutes à 200 W et 24 kHz.
Faible conductivité électrique et diffusion lente des ions Li- le long des canaux unidimensionnels de LiFePO₄ peut être surmontée par l'incorporation de LiFePO₄ dans une matrice conductrice, par exemple du noir de carbone. Comme les particules de taille nanométrique et les structures de particules cœur-coquille améliorent la conductivité électrique, la technologie de dispersion par ultrasons et la synthèse sonochimique des particules cœur-coquille permettent de produire des nanocomposites de qualité supérieure pour les applications de batteries.

Dispersion du phosphate de fer lithié : L'équipe de recherche de Hagberg (Hagberg et al., 2018) a utilisé l'outil d'évaluation de la qualité de l'eau. ultrasonateur UP100H pour la procédure d'électrode positive structurelle constituée de fibres de carbone enduites de phosphate de fer lithié (LFP). Les fibres de carbone sont des câbles continus et autoportants qui agissent comme des collecteurs de courant et assurent la rigidité et la résistance mécaniques. Pour une performance optimale, les fibres sont enduites individuellement, par exemple par dépôt électrophorétique.
Différents rapports de poids de mélanges composés de LFP, CB et PVDF ont été testés. Ces mélanges ont été enduits sur des fibres de carbone. Comme la distribution inhomogène dans les compositions du bain de revêtement peut différer de la composition du revêtement lui-même, une agitation rigoureuse par ultrasons est utilisée pour minimiser la différence.
Ils ont noté que les particules sont relativement bien dispersées dans le revêtement, ce qui est attribué à l'utilisation d'un surfactant (Triton X-100) et à l'étape d'ultrasonication précédant le dépôt par électrophorèse.

Images SEM en coupe et à fort grossissement de fibres de carbone revêtues d'EPD. Le mélange de LFP, CB et PVDF a été homogénéisé par ultrasons à l'aide de l'instrument de mesure de l'EPD. ultrasonateur UP100H. Grossissements : a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.(Étude et photo : ©Hagberg et al., 2018)

Dispersion de LiNi_0.5Mn_1.5O₄ matériau cathodique composite :
Vidal et al. (2013) ont étudié l'influence des étapes de traitement telles que la sonication, la pression et la composition du matériau pour le LiNi_0.5Mn_1.5O₄cathodes composites.
Électrodes composites positives à base de LiNi_0.5 Mn_1.5O4 comme matériau actif, un mélange de graphite et de noir de carbone pour augmenter la conductivité électrique de l'électrode et du polyvinyldefluoride (PVDF) ou un mélange de PVDF avec une petite quantité de Teflon® (1 wt%) pour construire l'électrode. Elles ont été traitées par coulage de ruban sur une feuille d'aluminium comme collecteur de courant en utilisant la technique de la racle. En outre, les mélanges de composants ont été soniqués ou non, et les électrodes traitées ont été compactées ou non lors d'un pressage à froid ultérieur. Deux formulations ont été testées :
Formulation A (sans Teflon®) : 78 % en poids de LiNi_0.5 Mn_1.5O4 ; 7,5 % en poids de noir de carbone ; 2,5 % en poids de graphite ; 12 % en poids de PVDF
Formulation B (avec Teflon®) : 78% en poids de LiNi0_0.5Mn_1.5O4 ; 7,5 % en poids de noir de carbone ; 2,5 % en poids de graphite ; 11 % en poids de PVDF ; 1 % en poids de Teflon®.
Dans les deux cas, les composants ont été mélangés et dispersés dans de la N-méthylpyrrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5Le spinelle O4 (2g) ainsi que les autres composants dans les pourcentages mentionnés déjà établis ont été dispersés dans 11 ml de NMP. Dans certains cas particuliers, le mélange a été sonifié pendant 25 minutes, puis agité à température ambiante pendant 48 heures. Dans d'autres cas, le mélange a simplement été agité à température ambiante pendant 48 heures, c'est-à-dire sans sonication. Le traitement par sonication favorise une dispersion homogène des composants de l'électrode et l'électrode LNMS obtenue semble plus uniforme.
Des électrodes composites de poids élevé, jusqu'à 17mg/cm2, ont été préparées et étudiées en tant qu'électrodes positives pour les batteries lithium-ion. L'ajout de Teflon® et l'application du traitement par sonication permettent d'obtenir des électrodes uniformes qui adhèrent bien à la feuille d'aluminium. Ces deux paramètres contribuent à améliorer la capacité drainée à des taux élevés (5C). Un compactage supplémentaire des assemblages électrode/aluminium améliore remarquablement les capacités de débit de l'électrode. À un taux de 5C, des rétentions de capacité remarquables entre 80 % et 90 % sont constatées pour les électrodes dont le poids est compris entre 3 et 17 mg/cm.²ayant du Teflon® dans leur formulation, préparés après sonication des mélanges qui les composent et compactés sous 2 tonnes/cm².
En résumé, les électrodes ayant 1 % en poids de Teflon® dans leur formulation, leurs mélanges de composants soumis à un traitement de sonication, compactés à 2 tonnes/cm2 et avec des poids compris entre 2,7 et 17 mg/cm2 ont montré une capacité de vitesse remarquable. Même au courant élevé de 5C, la capacité de décharge normalisée se situait entre 80% et 90% pour toutes ces électrodes. (cf. Vidal et al., 2013)

Disperseurs ultrasoniques haute performance pour la production de batteries

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des équipements ultrasoniques de haute puissance et de haute performance, qui sont utilisés pour traiter les cathodes, les anodes et les matériaux électrolytiques utilisés dans les batteries lithium-ion (LIB), les batteries sodium-ion (NIB) et d'autres cellules de batteries. Les systèmes ultrasoniques Hielscher sont utilisés pour synthétiser des nanocomposites, fonctionnaliser des nanoparticules et disperser des nanomatériaux dans des suspensions homogènes et stables.
Hielscher Ultrasonics est le leader du marché des disperseurs à ultrasons de haute performance, offrant une gamme de processeurs à ultrasons allant de l'échelle du laboratoire à l'échelle industrielle. Travaillant depuis plus de 30 ans dans le domaine de la synthèse et de la réduction de la taille des nanomatériaux, Hielscher Ultrasonics possède une vaste expérience dans le traitement des nanoparticules par ultrasons et propose les processeurs à ultrasons les plus puissants et les plus fiables du marché. L'ingénierie allemande assure une technologie de pointe et une qualité robuste.
Une technologie avancée, des performances élevées et un logiciel sophistiqué font des ultrasons Hielscher des outils de travail fiables dans votre processus de fabrication d'électrodes. Tous les systèmes à ultrasons sont fabriqués au siège de Teltow, en Allemagne, testés en termes de qualité et de robustesse, puis distribués depuis l'Allemagne dans le monde entier.
Le matériel sophistiqué et le logiciel intelligent des ultrasons Hielscher sont conçus pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d'utilisation. Les ultrasons Hielscher sont robustes et performants, ce qui permet de les installer dans des environnements exigeants et de les faire fonctionner dans des conditions difficiles. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et sélectionnables par le biais d'un menu intuitif, auquel on peut accéder via un écran tactile couleur numérique et une télécommande à navigateur. Par conséquent, toutes les conditions de traitement telles que l'énergie nette, l'énergie totale, l'amplitude, le temps, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de réviser et de comparer les cycles de sonication précédents et d'optimiser la synthèse, la fonctionnalisation et la dispersion des nanomatériaux et des composites avec une efficacité maximale.
Les systèmes ultrasoniques Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour la synthèse sonochimique de nanomatériaux et se sont avérés fiables pour la dispersion de nanoparticules dans des suspensions colloïdales stables. Les ultrasons industriels Hielscher peuvent fonctionner en continu à des amplitudes élevées et sont conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes? cornets à ultrasons). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Les processeurs à ultrasons Hielscher pour la synthèse sonochimique, la fonctionnalisation, la nano-structuration et la désagglomération sont déjà installés dans le monde entier à l'échelle commerciale. Contactez-nous dès maintenant pour discuter de votre étape de processus impliquant des nanomatériaux pour la fabrication de batteries ! Notre personnel expérimenté se fera un plaisir de vous donner plus d'informations sur les résultats de dispersion supérieurs, les systèmes ultrasoniques de haute performance et les prix !
Grâce à l'avantage de l'ultrasonication, votre production d'électrodes et d'électrolytes avancés se distinguera par son efficacité, sa simplicité et son faible coût par rapport à d'autres fabricants d'électrodes !

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :