סינתזה סונוכימית של חומרי אלקטרודות לייצור סוללות

בייצור תאי סוללה בעלי ביצועים גבוהים, חומרים בעלי מבנה ננומטרי וחומרים ננו־מרוכבים הם המפתח להקניית מוליכות חשמלית עדיפה, צפיפויות אגירה גבוהות יותר, קיבולת גבוהה ואמינות. כדי לממש את מלוא התפקודיות של ננו־חומרים, יש לפזר את הננו־חלקיקים בנפרד או לקלף אותם לשכבות, וייתכן שיידרשו שלבי עיבוד נוספים כגון פונקציונליזציה. עיבוד ננומטרי אולטרסוני הוא הטכניקה העדיפה, היעילה והאמינה לייצור ננו־חומרים וחומרים ננו־מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים לייצור סוללות מתקדמות.

פיזור אולטרסוני של חומרים פעילים אלקטרוכימית בתרחיפי אלקטרודות

ננו־חומרים משמשים כחומרי אלקטרודות חדשניים, והשימוש בהם הביא לשיפור משמעותי בביצועי סוללות נטענות. התגברות על אגלומרציה, אגרגציה והפרדת פאזות חיונית להכנת תרחיפים לייצור אלקטרודות, במיוחד כאשר מדובר בחומרים בגודל ננומטרי. ננו־חומרים מגדילים את שטח הפנים הפעיל של אלקטרודות הסוללה, וכך מאפשרים להן לקלוט יותר אנרגיה במהלך מחזורי הטעינה ולהגדיל את קיבולת אגירת האנרגיה הכוללת שלהן. כדי להפיק את מלוא התועלת מננו־חומרים, יש להתיר את ההסתבכויות בין החלקיקים בעלי המבנה הננומטרי ולפזר אותם כחלקיקים נפרדים בתרחיף האלקטרודה. טכנולוגיית הפיזור האולטרסוני מספקת כוחות גזירה גבוהים וממוקדים (סונומכניים) וכן אנרגיה סונוכימית, המביאים לערבוב ברמה האטומית וליצירת קומפלקסים של חומרים בגודל ננומטרי.
יש לפזר ננו־חלקיקים כגון גרפן, ננו־צינוריות פחמן (CNTs), מתכות ומינרלים של יסודות אדמה נדירים באופן אחיד בתרחיף יציב, כדי לקבל חומרי אלקטרודות בעלי תפקודיות גבוהה.
לדוגמה, גרפן ו־CNTs ידועים היטב ביכולתם לשפר את ביצועי תאי הסוללה, אך יש להתגבר על אגלומרציה של חלקיקים. פירוש הדבר הוא שטכניקת פיזור בעלת ביצועים גבוהים, המסוגלת לעבד ננו־חומרים וייתכן שגם חומרים בעלי צמיגות גבוהה, הכרחית בהחלט. מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש הם שיטת פיזור בעלת ביצועים גבוהים, המסוגלת לעבד ננו־חומרים באמינות וביעילות גם בריכוזי מוצקים גבוהים.

מדוע סוניקציה היא הטכניקה העדיפה לעיבוד ננו־חומרים?

כאשר טכניקות פיזור וערבוב אחרות, כגון מערבלים בעלי גזירה גבוהה, טחנות חרוזים או הומוגנייזרים בלחץ גבוה, מגיעות לגבולות יכולתן, סוניקציה היא השיטה הבולטת לעיבוד חלקיקים מיקרוניים וננומטריים.
אולטרסאונד בהספק גבוה והקוויטציה האקוסטית הנוצרת באמצעותו מספקים תנאי אנרגיה ייחודיים וצפיפות אנרגיה קיצונית, המאפשרים לפרק אגלומרטים של ננו־חומרים או לקלף אותם לשכבות, לבצע בהם פונקציונליזציה, לסנתז ננו־מבנים בתהליכים מלמטה למעלה ולהכין חומרים ננו־מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים.
מכיוון שהמכשירים האולטרסוניים של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת בפרמטרים החשובים ביותר של העיבוד האולטרסוני, כגון עוצמה (Ws/mL), אמפליטודה (µm), טמפרטורה (ºC/ºF) ולחץ (bar), אפשר לכוונן את תנאי העיבוד באופן פרטני להגדרות מיטביות לכל חומר ותהליך. לפיכך, מפזרים אולטרסוניים הם רב־תכליתיים ביותר וניתן להשתמש בהם ליישומים רבים, כגון פיזור CNT, קילוף שכבות גרפן, סינתזה סונוכימית של חלקיקי ליבה־מעטפת או פונקציונליזציה של ננו־חלקיקי צורן.

מיקרוגרפים של SEM של Na0.44MnO2 שהוכן בשיטה סונוכימית באמצעות קלצינציה ב־900°C למשך 2 h.
(מחקר ותמונה: ©Shinde et al., 2019)

למידע נוסף על מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים של Hielscher לעיבוד ננו־חומרים בייצור סוללות!

להלן יישומים שונים לעיבוד ננו־חומרים באמצעות אולטרסאונד:

סינתזה אולטרסונית של ננו־מרוכבים

סינתזה אולטרסונית של ננו־מרוכב גרפן–SnO₂ : צוות המחקר של Deosakar ועמיתיו (2013) פיתח שיטה בסיוע אולטרסאונד להכנת ננו־מרוכב גרפן–SnO2. הם חקרו את השפעות הקוויטציה הנוצרות באמצעות אולטרסאונד בהספק גבוה במהלך הסינתזה של מרוכב גרפן–SnO2. לצורך הסוניקציה הם השתמשו במכשיר של Hielscher Ultrasonics. התוצאות מדגימות שיפור באמצעות אולטרסאונד בהעמסה דקה ואחידה של SnO₂ על ננו־יריעות גרפן באמצעות תגובת חמצון–חיזור בין תחמוצת גרפן לבין SnCl₂·2H₂O בהשוואה לשיטות סינתזה קונבנציונליות.

תרשים המדגים את תהליך ההיווצרות של תחמוצת גרפן ושל ננו־מרוכב SnO₂–גרפן.
(מחקר ותמונות: ©Deosakar et al., 2013)

ננו־מרוכב SnO₂–גרפן הוכן בהצלחה בשיטה חדשנית ויעילה לסינתזה כימית בתמיסה בסיוע אולטרסאונד, ותחמוצת גרפן חוּזרה ליריעות גרפן באמצעות SnCl₂ בנוכחות HCl. אנליזת TEM מראה העמסה אחידה ודקה של SnO₂ בננו־יריעות גרפן. הוכח שהשפעות הקוויטציה הנוצרות עקב השימוש בהקרנה אולטרסונית מגבירות את ההעמסה הדקה והאחידה של SnO2 על ננו־יריעות גרפן במהלך תגובת חמצון–חיזור בין תחמוצת גרפן לבין SnCl₂·2H₂O. ההעמסה המוגברת, הדקה והאחידה של ננו־חלקיקי SnO2 ‏(3–5 nm) על ננו־יריעות גרפן מחוזרות מיוחסת להתגרענות המוגברת ולהעברת המומס המוגברת עקב השפעת הקוויטציה הנגרמת מהקרנה אולטרסונית. העמסה דקה ואחידה של ננו־חלקיקי SnO₂ על ננו־יריעות גרפן אושרה גם באנליזת TEM. מודגם השימוש בננו־מרוכב המסונתז SnO₂–גרפן כחומר אנודה בסוללות ליתיום־יון. הקיבולת של סוללת Li המבוססת על ננו־מרוכב SnO₂–גרפן יציבה במשך כ־120 מחזורים, והסוללה הצליחה לחזור על תגובת טעינה–פריקה יציבה. (Deosakar et al., 2013)

תמונת TEM של ננו־מרוכב SnO₂–גרפן שהוכן בשיטה סונוכימית. פס קנה המידה מציין 10nm ב־(A) ו־5nm ב־(B).
(מחקר ותמונות: ©Deosakar et al., 2013)

פיזור אולטרסוני של ננו־חלקיקים בתרחיפי סוללות

פיזור רכיבי אלקטרודה: Waser ועמיתיו (2011) הכינו אלקטרודות עם ליתיום ברזל פוספט (LiFePO₄). התרחיף הכיל LiFePO4 כחומר פעיל ופיח כתוסף מוליך חשמל; פוליווינילידן פלואוריד שהומס ב־N-methylpyrrolidinone ‏(NMP) שימש כחומר מקשר. יחס המסות (לאחר ייבוש) של AM/CB/PVDF באלקטרודות היה 83/8.5/8.5. להכנת התרחיפים, כל רכיבי האלקטרודה עורבבו ב־NMP באמצעות בוחש אולטרסוני (UP200H, Hielscher Ultrasonics) במשך 2 min בהספק 200 W ובתדר 24 kHz.
ניתן להתגבר על מוליכות חשמלית נמוכה ועל דיפוזיה איטית של יוני Li לאורך התעלות החד־ממדיות של LiFePO₄ באמצעות הטמעת LiFePO₄ במטריצה מוליכה, למשל פיח. מכיוון שחלקיקים בגודל ננומטרי ומבני חלקיקים מסוג ליבה–מעטפת משפרים את המוליכות החשמלית, טכנולוגיית פיזור אולטרסוני וסינתזה סונוכימית של חלקיקי ליבה–מעטפת מאפשרות לייצר ננו־מרוכבים בעלי תכונות עדיפות ליישומי סוללות.

פיזור ליתיום ברזל פוספט: צוות המחקר של Hagberg ‏(Hagberg et al., 2018) השתמש במכשיר האולטרסוני UP100H לתהליך הכנת אלקטרודה חיובית מבנית המורכבת מסיבי פחמן המצופים בליתיום ברזל פוספט (LFP). סיבי הפחמן הם צרורות רציפים העומדים בפני עצמם, המשמשים כקולטי זרם ויספקו קשיחות וחוזק מכניים. להשגת ביצועים מיטביים, הסיבים מצופים בנפרד, למשל באמצעות שיקוע אלקטרופורטי.
נבדקו יחסי משקל שונים של תערובות המורכבות מ-LFP, CB ו-PVDF. תערובות אלה יושמו כציפוי על סיבי פחמן. מאחר שעקב פיזור לא אחיד, הרכב אמבט הציפוי עשוי להיות שונה מהרכב הציפוי עצמו, נעשה שימוש בערבול נמרץ באמצעות אולטרסאונד כדי למזער את ההבדל.
החוקרים ציינו שהחלקיקים מפוזרים היטב יחסית בכל הציפוי, וייחסו זאת לשימוש בחומר פעיל שטח (Triton X-100) ולשלב הסוניקציה שלפני השיקוע האלקטרופורטי.

תמונות SEM של חתך רוחב ובהגדלה גבוהה של סיבי פחמן המצופים באמצעות EPD. התערובת של LFP, CB ו-PVDF עברה הומוגניזציה אולטרסונית באמצעות המכשיר האולטרסוני UP100H. הגדלות: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(מחקר ותמונה: ©Hagberg et al., 2018)

פיזור של LiNi_0.5Mn_1.5O₄ כחומר קתודה מרוכב:
Vidal et al. (2013) חקרו את ההשפעה של שלבי עיבוד כגון סוניקציה, לחץ והרכב החומר על קתודות מרוכבות של LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
אלקטרודות חיוביות מרוכבות מכילות LiNi_0.5 Mn_1.5O4 במבנה ספינל כחומר פעיל, תערובת של גרפיט ופחמן שחור להגברת המוליכות החשמלית של האלקטרודה, ופוליווינילידן פלואוריד (PVDF) או תערובת של PVDF עם כמות קטנה של Teflon® (1 wt%) לבניית האלקטרודה. הן עובדו באמצעות יציקת סרט על רדיד אלומיניום המשמש כקולט זרם, תוך שימוש בטכניקת להב מריחה. נוסף על כך, תערובות הרכיבים עברו סוניקציה או לא עברו סוניקציה, והאלקטרודות המעובדות הודקו או לא הודקו בכבישה קרה לאחר מכן. נבדקו שתי פורמולציות:
פורמולציה A (ללא Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7.5 wt% פחמן שחור; 2.5 wt% גרפיט; 12 wt% PVDF
פורמולציה B (עם Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7.5wt% פחמן שחור; 2.5 wt% גרפיט; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
בשני המקרים, הרכיבים עורבבו ופוזרו ב-N-מתילפירולידינון (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 במבנה ספינל (2g), יחד עם שאר הרכיבים באחוזים שצוינו לעיל, פוזר ב-11 ml של NMP. במקרים מסוימים, התערובת עברה סוניקציה במשך 25 min ולאחר מכן עורבלה בטמפרטורת החדר במשך 48 h. במקרים אחרים, התערובת עורבלה בלבד בטמפרטורת החדר במשך 48 h, כלומר ללא כל סוניקציה. הטיפול בסוניקציה מקדם פיזור הומוגני של רכיבי האלקטרודה, ואלקטרודת ה-LNMS המתקבלת נראית אחידה יותר.
אלקטרודות מרוכבות בעלות משקל גבוה, עד 17mg/cm2, הוכנו ונחקרו כאלקטרודות חיוביות לסוללות ליתיום-יון. הוספת Teflon® ויישום הטיפול בסוניקציה מובילים לאלקטרודות אחידות הנצמדות היטב לרדיד האלומיניום. שני הפרמטרים תורמים לשיפור הקיבולת הנפרקת בקצבים גבוהים (5C). הידוק נוסף של מכלולי האלקטרודה/אלומיניום משפר במידה ניכרת את יכולות האלקטרודה לפעול בקצבים גבוהים. בקצב של 5C, נמצא שימור קיבולת מרשים של בין 80% ל-90% באלקטרודות שמשקלן בטווח 3–17mg/cm², המכילות Teflon® בפורמולציה שלהן, שהוכנו לאחר סוניקציה של תערובות הרכיבים שלהן והודקו בלחץ של 2 tonnes/cm².
לסיכום, אלקטרודות המכילות 1 wt% Teflon® בפורמולציה שלהן, שתערובות הרכיבים שלהן עברו טיפול בסוניקציה, שהודקו בלחץ של 2 tonnes/cm2 ושמשקלן בטווח 2.7–17 mg/cm2, הפגינו יכולת מרשימה לפעול בקצבים גבוהים. אפילו בזרם הגבוה של 5C, קיבולת הפריקה המנורמלת הייתה בין 80% ל-90% בכל האלקטרודות הללו. (ראו Vidal et al., 2013)

מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לייצור סוללות

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה ציוד אולטרסוני בעל הספק גבוה וביצועים גבוהים, המשמש לעיבוד חומרי קתודה, אנודה ואלקטרוליט לשימוש בסוללות ליתיום-יון (LIB), בסוללות נתרן-יון (NIB) ובתאי סוללה אחרים. מערכות אולטרסוניות של Hielscher משמשות לסינתזה של ננו-מרוכבים, לפונקציונליזציה של ננו-חלקיקים ולפיזור ננו-חומרים בתרחיפים הומוגניים ויציבים.
Hielscher מציעה מגוון מעבדים אולטרסוניים, מקנה מידה מעבדתי ועד לקנה מידה תעשייתי מלא, והיא מובילת השוק בתחום המפזרים האולטרסוניים בעלי הביצועים הגבוהים. עם פעילות של יותר מ-30 שנה בתחום הסינתזה של ננו-חומרים והקטנת גודלם, ל-Hielscher Ultrasonics ניסיון נרחב בעיבוד אולטרסוני של ננו-חלקיקים, והיא מציעה את המעבדים האולטרסוניים החזקים והאמינים ביותר בשוק. הנדסה גרמנית מספקת טכנולוגיה מתקדמת ביותר ואיכות עמידה.
טכנולוגיה מתקדמת, ביצועים גבוהים ותוכנה מתוחכמת הופכים את המכשירים האולטרסוניים של Hielscher לכלי עבודה אמינים בתהליך ייצור האלקטרודות שלכם. כל המערכות האולטרסוניות מיוצרות במטה החברה בטלטו שבגרמניה, נבדקות מבחינת איכות ועמידות ולאחר מכן מופצות מגרמניה לכל רחבי העולם.
החומרה המתוחכמת והתוכנה החכמה של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתוכננות להבטיח פעולה אמינה, תוצאות הניתנות לשחזור וידידותיות למשתמש. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher עמידים ועקביים בביצועיהם, כך שניתן להתקין אותם בסביבות תובעניות ולהפעיל אותם בתנאי עבודה מאומצים. ניתן לגשת בקלות להגדרות ההפעלה ולכוונן אותן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, הזמין דרך צג מגע צבעוני דיגיטלי ושליטה מרחוק באמצעות דפדפן. לפיכך, כל תנאי העיבוד, כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, אמפליטודה, זמן, לחץ וטמפרטורה, מתועדים אוטומטית בכרטיס SD מובנה. כך תוכלו לסקור ולהשוות מחזורי סוניקציה קודמים ולייעל את הסינתזה, הפונקציונליזציה והפיזור של ננו-חומרים וחומרים מרוכבים להשגת היעילות הגבוהה ביותר.
מערכות של Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לסינתזה סונוכימית של ננו-חומרים, ואמינותן הוכחה בפיזור ננו-חלקיקים ליצירת תרחיפים קולואידיים יציבים. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לפעול ברציפות באמפליטודות גבוהות ומתוכננים לפעולה 24/7. ניתן להפיק בקלות וברציפות אמפליטודות של עד 200µm באמצעות סונוטרודות סטנדרטיות (גשושים אולטרסוניים / קרניים אולטרסוניות). לאמפליטודות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית.
מעבדים אולטרסוניים של Hielscher לסינתזה סונוכימית, לפונקציונליזציה, ליצירת ננו-מבנים ולפירוק אגלומרטים כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר כעת כדי לדון בשלב התהליך שלכם הכולל ננו-חומרים לייצור סוללות! הצוות המנוסה שלנו ישמח לספק מידע נוסף על תוצאות פיזור מעולות, מערכות אולטרסוניות בעלות ביצועים גבוהים ותמחור!
בזכות יתרונות הסוניקציה, הייצור המתקדם שלכם של אלקטרודות ואלקטרוליטים יצטיין ביעילות, בפשטות ובעלות נמוכה בהשוואה ליצרני אלקטרודות אחרים!

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: