סינתזה סונוכימית של חומרים אלקטרודה לייצור סוללה

בייצור של תאי סוללה בעלי ביצועים גבוהים, חומרים ננו מובנים וננו-קומפוסיטים ממלאים תפקיד חשוב במתן מוליכות חשמלית מעולה, צפיפות אחסון גבוהה יותר, קיבולת גבוהה ואמינות. על מנת להשיג פונקציות מלאות של ננו-חומרים, ננו-חלקיקים חייבים להיות מפוזרים בנפרד או פילינג ועשויים להזדקק לצעדי עיבוד נוספים כגון פונקציונליזציה. ננו-עיבוד אולטרה סאונד היא טכניקה מעולה, יעילה ואמינה לייצר ננו-חומרים בעלי ביצועים גבוהים וננו-קומפוסיטים לייצור סוללה מתקדם.

פיזור אולטרה סאונד של חומרים פעילים אלקטרוכימיים בהדלות אלקטרודה

ננו-חומרים משמשים כחומרי אלקטרודה חדשניים, מה שהביא לביצועים משופרים משמעותית של סוללות נטענות. התגברות על התקבצות, צבירה והפרדת פאזה חיונית להכנת והכלומניקים לייצור אלקטרודות, במיוחד כאשר חומרים בגודל ננו מעורבים. ננו-חומרים מגדילים את שטח הפנים הפעיל של אלקטרודות הסוללה, מה שמאפשר להם לספוג יותר אנרגיה במהלך מחזורי הטעינה ולהגדיל את קיבולת אחסון האנרגיה הכוללת שלהם. על מנת להשיג את מלוא היתרון של ננו-חומרים, חלקיקים ננו מובנים אלה חייבים להיות דה-הסתבכויות ומפיצים כמו חלקיקים נפרדים בבוץ אלקטרודה. טכנולוגיית פיזור אולטרה סאונד מספקת כוחות ממוקדים גזירה גבוהה (sonomechnical) כמו גם אנרגיה sonochemical, מה שמוביל ערבוב ברמה אטומית ומורכבות של חומרים בגודל ננו.
ננו-חלקיקים כגון גרפן, צינורות פחמן (CNTs), מתכות ומינרלים נדירים מכדור הארץ חייבים להיות מפוזרים באופן אחיד לתוך רפש יציב על מנת להשיג חומרים אלקטרודה פונקציונליים מאוד.
לדוגמה, גרפן ו- CNTs ידועים כמשפרים את ביצועי תאי הסוללה, אך יש להתגבר על התחזקות החלקיקים. משמעות הדבר היא, טכניקת פיזור ביצועים גבוהים, מסוגל לעבד ננו חומרים ואולי צמיגות גבוהה, נדרש לחלוטין. ultrasonicators סוג בדיקה הם שיטת פיזור ביצועים גבוהים, אשר יכול לעבד ננו חומרים אפילו בעומסים מוצקים גבוהים באופן אמין ויעיל.

מדוע Sonication היא הטכניקה המעולה לעיבוד ננו-חומרי?

כאשר טכניקות פיזור וערבוב אחרות כגון מערבלי גיזום גבוה, טחנות חרוזים או homogenizers בלחץ גבוה מגיעים לגבולות שלהם, ultrasonication היא השיטה אשר בולטת לעיבוד מיקרון- וננו-חלקיקים.
אולטרסאונד בהספק גבוה cavitation אקוסטי שנוצר באולטרסאונד לספק תנאי אנרגיה ייחודיים וצפיפות אנרגיה קיצונית המאפשר deagglomerate או לקלף ננו,, כדי לתפקד אותם, nanostructures לסנתז בתהליכים מלמטה למעלה, ולהכין nanocomposites ביצועים גבוהים.
מאז Hielscher ultrasonicators לאפשר שליטה מדויקת של הפרמטרים עיבוד קולי החשוב ביותר כגון עוצמה (Ws/ mL), משרעת (מיקרומטר), טמפרטורה (ºC / ºF) ולחץ (בר), תנאי עיבוד ניתן לכוונן בנפרד להגדרות אופטימליות עבור כל חומר ותהליך. ובכך, מפזרים קוליים הם רב-תכליתיים מאוד וניתן להשתמש בהם עבור יישומים רבים למשל, פיזור CNT, פילינג גרפן, סינתזה סונוכימית של חלקיקי מעטפת הליבה או פונקציונליזציה של חלקיקי סיליקון.

מיקרוגרפים SEM של sonochemically מוכן Na0.44MnO2 על ידי חישוב ב 900 מעלות צלזיוס עבור 2 שעות.
(מחקר ותמונה: ©שינדה ואח', 2019)

למידע נוסף על Hielscher ultrasonicators תעשייתי לעיבוד ננו-חומרי בייצור הסוללה!

להלן ניתן למצוא יישומים שונים מונעים באולטרסאונד של עיבוד ננומטרי:

סינתזה אולטרה סאונד של ננו-קומפוסיטים

סינתזה אולטרה סאונד של גרפן-SnO₂ ננו-קומפוסיט: צוות המחקר של Deosakar ואח ' (2013) פיתח מסלול בסיוע באולטרסאונד כדי להכין גרפן-SnO2 ננו קומפוזיט. הם חקרו את ההשפעות cavitational שנוצר על ידי אולטרסאונד כוח גבוה במהלך הסינתזה של מרוכבים גרפן-SnO2. עבור sonication, הם השתמשו במכשיר אולטרסוניקה Hielscher. התוצאות מראות טעינה עדינה ואחיד משופרת באולטרסאונד של SnO₂ על ננו-גליונות גרפן על ידי חמצון–הפחתת תגובה בין תחמוצת גרפן ו SnCl₂· 2H₂O בהשוואה לשיטות סינתזה קונבנציונליות.

תרשים המדגים את תהליך היווצרות של תחמוצת גרפן ו- SnO₂–graphene nanocomposite.
(מחקר ותמונות: ©דוסאקר ואח', 2013)

SnO₂– גרפן nanocomposite הוכן בהצלחה באמצעות אולטרסאונד יעיל בסיוע פתרון מבוסס פתרון מסלול תחמוצת גרפן צומצמה על ידי SnCl₂ כדי גליונות גרפן בנוכחות ניתוח HCl. TEM מראה את הטעינה האחודה והקנסית של SnO₂ בגליושי ננו גרפן. ההשפעות cavitational המיוצר עקב השימוש של הקרנות קולי הוכחו כדי להגביר את הטעינה העדינה האחיד של SnO2 על nanosheets גרפן במהלך חמצון-הפחתת תגובה בין תחמוצת גרפן ו SnCl₂· 2H₂O. הטעינה העדינה האחודה המוגברת של חלקיקי SnO2 (3-5 ננומטר) על ננו-גליונות גרפן מופחתים מיוחסת לגרעין המשופר וההעברה המותכת עקב אפקט cavitational המושרה על ידי קרינות קוליות. טעינה עדינה ואחיד של SnO₂ חלקיקים על גיליון ננו גרפן אושר גם מניתוח TEM. היישום של SnO מסונתז₂– גרפן ננו-קומפוסיט כחומר אנודה בסוללות ליתיום יון מודגם. הקיבולת של SnO₂– סוללת Li-קומפוסט מבוססת ננו-קומפוסיט מבוססת גרפן יציבה במשך כ-120 מחזורים, והסוללה יכולה לחזור על תגובת טעינה-פריקה יציבה. (דוסקאר ואח', 2013)

תמונת TEM של SnO₂– גרפן ננו-מרוכבים שהוכן על ידי שיטה סונוכימית. הבר מציין ב (A) 10nm , ב (B) ב 5nm.
(מחקר ותמונות: ©דוסאקר ואח', 2013)

פיזור אולטרה סאונד של חלקיקים לתוך השמצה סוללה

פיזור רכיבי אלקטורודה: וייזר ואח ' (2011) הכין אלקטרודות עם פוספט ברזל ליתיום (LiFePO₄). התסיסה הכילה LiFePO4 כחומר פעיל, פחמן שחור כתוסף מוליך חשמלי, פלואוריד פוליווינילידן מומס ב N-מתילפירולידינון (NMP) שימש קלסר. יחס המסה (לאחר הייבוש) של AM / CB / PVDF באלקטרודות היה 83/8.5/8.5. כדי להכין את ההשעיות, כל המרכיבים אלקטרודה היו מעורבים NMP עם stirrer קולי (UP200H, אולטרסוניקה Hielscher) למשך 2 דקות ב 200 W ו 24 kHz.
מוליכות חשמלית נמוכה ודיפוזיה איטית של Li-ion לאורך הערוצים החד-ממדיים של LiFePO₄ ניתן להתגבר על ידי הטבעת LiFePO₄ במטריצה מוליכת, למשל פחמן שחור. כמו חלקיקים בגודל ננו ומבני חלקיקי מעטפת הליבה לשפר מוליכות חשמלית, טכנולוגיית פיזור קולי וסינתזה סונוכימית של חלקיקי מעטפת הליבה לאפשר לייצר nanocomposites מעולה עבור יישומי סוללה.

פיזור של ליתיום ברזל פוספט: צוות המחקר של האגברג (האגברג ואח', 2018) השתמש ב אולטראסאונדטור UP100H עבור ההליך של אלקטרודה חיובית מבנית המורכבת ליתיום ברזל פוספט (LFP) סיבי פחמן מצופים. סיבי הפחמן הם גרר מתמשך, עצמאי מתנהג כמו אספנים הנוכחי יספק נוקשות מכנית וכוח. לקבלת ביצועים אופטימליים, הסיבים מצופים בנפרד, למשל באמצעות תצהיר אלקטרופורטי.
נבחנו יחסי משקל שונים של תערובות המורכבות מ- LFP, CB ו- PVDF. תערובות אלה היו מצופות על סיבי פחמן. מאז הפצה inhomogeneous קומפוזיציות אמבט ציפוי עשוי להיות שונה מההרכב בציפוי עצמו, ערבוב קפדני על ידי ultrasonication משמש כדי למזער את ההבדל.
הם ציינו כי החלקיקים מפוזרים היטב יחסית לאורך הציפוי המיוחס לשימוש בחומר פעילי שטח (טריטון X-100) ואת שלב ultrasonication לפני תצהיר אלקטרופורטי.

תמונות SEM של חתך והגדלה גבוהה של סיבי פחמן מצופים EPD. התערובת של LFP, CB ו PVDF היה הומוגני באולטרסאונד באמצעות אולטראסאונדטור UP100H. הגדלות: א) 0.8kx, ב) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(לימוד ותמונה: ©הגרברג ואח', 2018)

פיזור ליני_00.5Mn_1.5הו₄ חומר קתודה מרוכבים:
וידאל ואח ' (2013) חקר את ההשפעה של צעדי עיבוד כגון sonication, לחץ והרכב חומרי עבור LiNi_00.5Mn_1.5הו₄קתודיים מרוכבים.
אלקטרודות מרוכבים חיוביות שיש LiNi_00.5 Mn_1.5O4 ספינל כחומר פעיל, תערובת של גרפיט ופחמן שחור להגברת המוליכות החשמלית ופוליווינילדנפלואוריד (PVDF) או תערובת של PVDF עם כמות קטנה של טפלון® (1 wt%) לבניית האלקטרודה. הם עובדו על ידי יציקת סרט על רדיד אלומיניום כאספן הנוכחי באמצעות טכניקת להב הרופא. בנוסף, תערובות הרכיבים היו sonicated או לא, ואת האלקטרודות המעובדות נדחסו או לא תחת לחיצה קרה לאחר מכן. שני ניסוחים נבדקו:
ניסוח A (ללא טפלון®): 78 wt% LiNi_00.5 Mn_1.5O4; 7.5 wt% פחמן שחור; 2.5 wt% גרפיט; 12 wt% PVDF
ניסוח B (עם טפלון®): 78wt% LiNi0_00.5Mn_1.5O4; 7.5wt% שחור פחמן; 2.5 wt% גרפיט; 11 wt% PVDF; 1 wt% טפלון®
בשני המקרים, הרכיבים היו מעורבים ופוזרו ב- N-מתילפירולידינון (NMP). ליני_00.5 Mn_1.5O4 ספינל (2g) יחד עם הרכיבים האחרים באחוזים שהוזכרו כבר הוקמו פוזר ב 11 מ"ל של NMP. במקרים מסוימים, התערובת הייתה sonicated במשך 25 דקות ולאחר מכן מעורבב בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות. אצל אחרים, התערובת רק עוררה בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות, כלומר ללא כל sonication. הטיפול sonication מקדם פיזור הומוגני של רכיבי האלקטרודה ואת LNMS-אלקטרודה המתקבל נראה אחיד יותר.
אלקטרודות מרוכבים עם משקל גבוה, עד 17 מ"ג / cm2, הוכנו ונחקרו כאלקטרודות חיוביות עבור סוללות ליתיום-יון. התוספת של טפלון® ויישום הטיפול sonication להוביל אלקטרודות אחידות כי הם דבקים היטב רדיד האלומיניום. שני הפרמטרים תורמים לשיפור הקיבולת המנוקזת בשיעורים גבוהים (5C). דחיסה נוספת של מכלולי האלקטרודה/אלומיניום משפרת להפליא את יכולות קצב האלקטרודה. בקצב 5C, שימורי קיבולת יוצאי דופן בין 80% ל 90% נמצאים עבור אלקטרודות עם משקולות בטווח 3-17mg / ס"מ²לאחר טפלון® בניסוח שלהם, מוכן לאחר sonication של תערובות הרכיב שלהם דחוס תחת 2 טון / ס"מ,².
לסיכום, אלקטרודות בעלות 1 wt% טפלון® בניסוח שלהן, תערובות הרכיבים שלהן כפופות לטיפול sonication, דחוס ב 2 טון / cm2 ועם משקולות בטווח 2.7-17 מ"ג / cm2 הראו יכולת קצב יוצאת דופן. אפילו בזרם הגבוה של 5C, יכולת הפריקה מנורמלת הייתה בין 80% ל -90% עבור כל האלקטרודות האלה. (cf. וידאל ואח', 2013)

מפזרים אולטרה סאונד ביצועים גבוהים לייצור הסוללה

Hielscher אולטרסוניקה מתכננת, מייצרת ומפיצה ציוד אולטרה סאונד בעל הספק גבוה, בעל ביצועים גבוהים, המשמש לעיבוד קתודה, אנודה, וחומרי אלקטרוליט לשימוש בסוללות ליתיום-יון (LIB), סוללות נתרן-יון (NIB), ותאי סוללה אחרים. מערכות אולטראסאונד Hielscher משמשים ננו-קומפוזיטים סינתזים, לתפקד חלקיקים, ולפזר ננו חומרים לתוך הומוגני, מתלים יציבים.
מציע תיק ממעבדה למעבדים קולי בקנה מידה תעשייתי מלא, Hielscher היא מובילת השוק עבור מפזרי אולטרסאונד ביצועים גבוהים. עובד מאז יותר מ -30 שנה בתחום של סינתזה ננומטרית והפחתת גודל, Hielscher אולטרסוניקה יש ניסיון רב בעיבוד ננו חלקיקים קולי ומציע את מעבדי הקול החזקים והאמינים ביותר בשוק. הנדסה גרמנית מספקת טכנולוגיה חדשנית ואיכות איתנה.
טכנולוגיה מתקדמת, ביצועים גבוהים ותוכנה מתוחכמת להפוך Hielscher ultrasonicators לתוך סוסי עבודה אמינים בתהליך ייצור האלקטרודה שלך. כל המערכות הקוליות מיוצרות במטה בטלטו, גרמניה, נבדקו לאיכות וחוסן ולאחר מכן מופצות מגרמניה בכל רחבי העולם.
החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של Hielscher ultrasonicators נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות לשחזור, כמו גם ידידותיות למשתמש. אולטרסוני Hielscher הם חזקים ועקביים בביצועים, המאפשר להתקין אותם לסביבות תובעניות ולהפעיל אותם בתנאים כבדים. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג באמצעות תפריט אינטואיטיבי, אליו ניתן לגשת באמצעות תצוגת מגע צבעונית דיגיטלית ושלט רחוק של הדפדפן. לכן, כל תנאי העיבוד כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה נרשמים באופן אוטומטי בכרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לתקן ולהשוות ריצות sonication קודמות כדי לייעל את הסינתזה, פונקציונליזציה, ופיזור של ננו חומרים מרוכבים ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher אולטרסוניקה משמשות ברחבי העולם עבור סינתזה סונוכימית של ננו חומרים, הוכחו להיות אמין לפיזור של חלקיקים לתוך מתלים קולואידיים יציבים. Hielscher תעשייתי ultrasonicators יכול ברציפות להפעיל משרעת גבוהה והם בנויים לפעולה 24/7. משרעת של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם sonotrodes סטנדרטי (בדיקות קוליות / קרניים). עבור משרעת גבוהה עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
Hielscher מעבדי אולטרה סאונד עבור סינתזה סונוכימית, פונקציונליזציה, ננו-בנייה ו deagglomeration כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו קשר עכשיו כדי לדון בשלב התהליך שלכם הכולל ננו-חומרים לייצור סוללות! הצוות המנוסה שלנו ישמח לשתף מידע נוסף על תוצאות פיזור מעולה, מערכות קוליות בעלות ביצועים גבוהים ותמחור!
עם היתרון של ultrasonication, האלקטרודה המתקדמת שלך וייצור אלקטרוליטים יצטיין יעילות, פשטות ועלות נמוכה בהשוואה ליצרני אלקטרודה אחרים!

הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו: