סינתזה סונוכימית של חומרי אלקטרודות לייצור סוללות

בייצור תאי סוללה בעלי ביצועים גבוהים, חומרים ננו-מבניים וננו-מרוכבים ממלאים תפקיד חשוב המספק מוליכות חשמלית מעולה, צפיפות אחסון גבוהה יותר, קיבולת גבוהה ואמינות. על מנת להשיג פונקציונליות מלאה של ננו-חומרים, ננו-חלקיקים חייבים להיות מפוזרים בנפרד או מתקלפים ועשויים להזדקק לשלבי עיבוד נוספים כגון פונקציונליזציה. ננו-עיבוד על-קולי הוא הטכניקה המעולה, היעילה והאמינה לייצור ננו-חומרים וננו-מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים לייצור סוללות מתקדם.

פיזור על-קולי של חומרים פעילים אלקטרוכימית בתרחיצי אלקטרודות

ננו-חומרים משמשים כחומרי אלקטרודה חדשניים, מה שהביא לשיפור משמעותי בביצועים של סוללות נטענות. התגברות על אגרגציה, צבירה והפרדת פאזה חיונית להכנת תרחיפים לייצור אלקטרודות, במיוחד כאשר מדובר בחומרים בגודל ננומטרי. ננו-חומרים מגדילים את שטח הפנים הפעיל של אלקטרודות הסוללה, מה שמאפשר להן לספוג יותר אנרגיה במהלך מחזורי הטעינה ולהגדיל את קיבולת אחסון האנרגיה הכוללת שלהן. על מנת להשיג את מלוא היתרונות של ננו-חומרים, חלקיקים ננו-מובנים אלה חייבים להיות משוחררים מהסתבכויות ומתפלגים כחלקיקים נפרדים בתרחיף האלקטרודות. טכנולוגיית פיזור על-קולי מספקת כוחות ממוקדים בעלי גזירה גבוהה (סונומכנית) וכן אנרגיה סונוכימית, מה שמוביל לערבוב ברמה האטומית ולמורכבות של חומרים בגודל ננומטרי.
ננו-חלקיקים כגון גרפן, ננו-צינוריות פחמן (CNT), מתכות ומינרלים נדירים חייבים להיות מפוזרים באופן אחיד לתוך בוצה יציבה על מנת לקבל חומרי אלקטרודות פונקציונליים ביותר.
לדוגמה, גרפן ו-CNT ידועים כמשפרים את ביצועי תאי הסוללה, אך יש להתגבר על הצטברות חלקיקים. משמעות הדבר היא שטכניקת פיזור בעלת ביצועים גבוהים, המסוגלת לעבד ננו-חומרים ואולי צמיגות גבוהה, נדרשת בהחלט. אולטרסאונד מסוג בדיקה הוא שיטת פיזור בעלת ביצועים גבוהים, אשר יכולה לעבד ננו-חומרים גם בעומסים מוצקים גבוהים בצורה אמינה ויעילה.

מדוע סוניקציה היא הטכניקה הטובה ביותר לעיבוד ננו-חומרים?

כאשר טכניקות פיזור וערבוב אחרות כגון מערבלים בעלי גזירה גבוהה, טחנות חרוזים או הומוגנייזרים בלחץ גבוה מגיעות לקצה גבול יכולתן, אולטרסוניקציה היא השיטה הבולטת לעיבוד מיקרון וננו-חלקיקים.
אולטרסאונד בהספק גבוה וקוויטציה אקוסטית הנוצרת באולטרסאונד מספקים תנאי אנרגיה ייחודיים וצפיפות אנרגיה קיצונית המאפשרת לפרק או לקלף ננו-חומרים, לתפקד אותם, לסנתז ננו-מבנים בתהליכים מלמטה למעלה, ולהכין ננו-מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים.
מכיוון שאולטרסוניקטורים של Hielscher מאפשרים שליטה מדויקת בפרמטרים החשובים ביותר של עיבוד קולי כגון עוצמה (Ws / mL), משרעת (μm), טמפרטורה (ºC / ºF) ולחץ (בר), ניתן לכוונן את תנאי העיבוד בנפרד להגדרות אופטימליות עבור כל חומר ותהליך. לפיכך, מפיצים על-קוליים הם רב-תכליתיים ביותר וניתן להשתמש בהם עבור יישומים רבים כגון פיזור CNT, פילינג גרפן, סינתזה סונוכימית של חלקיקי מעטפת ליבה או פונקציונליות של ננו-חלקיקי סיליקון.

מיקרוגרפים SEM של Na0.44MnO2 מוכן סונוכימית על ידי הסתיידות ב 900°C במשך 2 שעות.
(מחקר ותמונה: ©Shinde et al., 2019)

למידע נוסף על Hielscher ultrasonicators תעשייתי לעיבוד ננו-חומרים בייצור סוללות!

להלן תוכל למצוא יישומים שונים מונחה אולטרה-סאונד של עיבוד ננו-חומרים:

סינתזה קולית של ננו-מרוכבים

סינתזה על-קולית של גרפן-SnO₂ ננו-מרוכבים: צוות המחקר של Deosakar et al. (2013) פיתח מסלול בסיוע אולטרה-סאונד להכנת ננו-מרוכב גרפן-SnO2. הם חקרו את ההשפעות הקוויטציוניות הנוצרות על ידי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה במהלך הסינתזה של גרפן-SnO2 מרוכב. עבור סוניקציה, הם השתמשו במכשיר Hielscher Ultrasonics. התוצאות מדגימות שיפור באולטרסאונד בהעמסה עדינה ואחידה של SnO₂ על ננו-יריעות גרפן על ידי תגובת חמצון-חיזור בין תחמוצת גרפן לבין SnCl₂· 2H₂O בהשוואה לשיטות סינתזה קונבנציונליות.

תרשים המדגים את תהליך היווצרות תחמוצת גרפן ו- SnO₂–ננו-קומפוזיט גרפן.
(מחקר ותמונות: ©Deosakar et al., 2013)

סנו₂– ננו-קומפוזיט גרפן הוכן בהצלחה באמצעות מסלול סינתזה כימי חדשני ויעיל המבוסס על תמיסת אולטרסאונד ותחמוצת גרפן הופחתה על ידי SnCl₂ ליריעות גרפן בנוכחות HCl. ניתוח TEM מראה את העומס האחיד והעדין של SnO₂ בננו-יריעות גרפן. ההשפעות הקוויטציוניות הנוצרות כתוצאה משימוש בקרינה על-קולית הוכחו כמגבירות את העומס העדין והאחיד של SnO2 על ננו-יריעות גרפן במהלך תגובת חמצון-חיזור בין תחמוצת גרפן ל-SnCl₂· 2H₂O. ההעמסה העדינה והאחידה המוגברת של ננו-חלקיקי SnO2 (3-5 ננומטר) על ננו-יריעות גרפן מופחתות מיוחסת לנוקלציה משופרת ולהעברת מומסים עקב אפקט קוויטציוני המושרה על ידי קרינה על-קולית. העמסה עדינה ואחידה של SnO₂ ננו-חלקיקים על ננו-יריעות גרפן אושרו גם מניתוח TEM. היישום של SnO מסונתז₂- הודגם ננו-מרוכב גרפן כחומר אנודה בסוללות ליתיום-יון. היכולת של SnO₂סוללת Li מבוססת ננו-קומפוזיט גרפן יציבה למשך כ-120 מחזורים, והסוללה יכולה לחזור על תגובת טעינה-פריקה יציבה. (Deosakar et al., 2013)

תמונת TEM של SnO₂– ננו-קומפוזיט גרפן שהוכן בשיטה סונוכימית. סרגל מציין ב- (A) 10nm , ב- (B) ב- 5nm.
(מחקר ותמונות: ©Deosakar et al., 2013)

פיזור על-קולי של ננו-חלקיקים לתוך תרחיצי סוללה

פיזור מרכיבי הבחירות: Waser et al. (2011) אלקטרודות מוכנות עם ליתיום ברזל פוספט (LiFePO₄). התרחיף הכיל LiFePO4 כחומר פעיל, פחמן שחור כתוסף מוליך חשמלית, פוליווינילידן פלואוריד מומס ב-N-methylpyrrolidinone (NMP) שימש כחומר מקשר. יחס המסה (לאחר ייבוש) של AM/CB/PVDF באלקטרודות היה 83/8.5/8.5. כדי להכין את המתלים, כל מרכיבי האלקטרודות עורבבו ב- NMP עם מערבל קולי (UP200H, Hielscher Ultrasonics) למשך 2 דקות ב- 200 ואט ו- 24 קילו-הרץ.
מוליכות חשמלית נמוכה ודיפוזיה איטית של Li-ion לאורך התעלות החד-ממדיות של LiFePO₄ ניתן להתגבר על ידי הטמעת LiFePO₄ במטריצה מוליכה, למשל פחמן שחור. ככל שחלקיקים בגודל ננומטרי ומבני חלקיקי מעטפת ליבה משפרים את המוליכות החשמלית, טכנולוגיית פיזור קולי וסינתזה סונוכימית של חלקיקי מעטפת ליבה מאפשרים לייצר ננו-מרוכבים מעולים עבור יישומי סוללות.

פיזור ליתיום ברזל פוספט: צוות המחקר של Hagberg (Hagberg et al., 2018) השתמש ב אולטרסוניקטור UP100H עבור הליך של אלקטרודה חיובית מבנית המורכבת מסיבי פחמן מצופים ליתיום ברזל פוספט (LFP). סיבי הפחמן הם גררים רציפים העומדים בפני עצמם ומשמשים כקולטי זרם ויספקו קשיחות וחוזק מכניים. לקבלת ביצועים מיטביים, הסיבים מצופים בנפרד, למשל באמצעות שיקוע אלקטרופורטי.
נבדקו יחסי משקל שונים של תערובות המורכבות מ-LFP, CB ו-PVDF. תערובות אלה צופו על סיבי פחמן. מכיוון שפיזור לא הומוגני בהרכבי אמבט הציפוי עשוי להיות שונה מההרכב בציפוי עצמו, נעשה שימוש בחישה קפדנית על ידי אולטרסוניקציה כדי למזער את ההבדל.
הם ציינו כי החלקיקים מפוזרים היטב יחסית לאורך הציפוי, מה שמיוחס לשימוש בסורפקטנט (Triton X-100) ולשלב האולטרסוניקציה לפני שיקוע אלקטרופורטי.

תמונות SEM בחתך רוחב ובהגדלה גבוהה של סיבי פחמן מצופים EPD. התערובת של LFP, CB ו- PVDF הייתה הומוגנית באולטרסאונד באמצעות אולטרסוניקטור UP100H. הגדלות: א) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(מחקר ותמונה: ©Hagberg et al., 2018)

פיזור ליני_0.5מ"נ_1.5O₄ חומר קתודה מרוכב:
Vidal et al. (2013) חקרו את ההשפעה של שלבי עיבוד כגון סוניקציה, לחץ והרכב חומרים עבור LiNi_0.5מ"נ_1.5O₄קתודות מרוכבות.
אלקטרודות מרוכבות חיוביות בעלות LiNi_0.5 מ"נ_1.5O4 ספינל כחומר פעיל, תערובת של גרפיט ופחמן שחור להגברת המוליכות החשמלית של האלקטרודה ופוליווינילדןפלואוריד (PVDF) או תערובת של PVDF עם כמות קטנה של טפלון® (1 wt%) לבניית האלקטרודה. הם עובדו על ידי יציקת סרט על רדיד אלומיניום כאספן זרם באמצעות טכניקת להב הרופא. בנוסף, תערובות הרכיבים עברו סוניזציה או לא, והאלקטרודות המעובדות נדחסו או לא היו תחת כבישה קרה לאחר מכן. נבדקו שני ניסוחים:
נוסחת A (ללא טפלון®): 78 wt% LiNi_0.5 מ"נ_1.5O4; 7.5 wt% פחמן שחור; 2.5 wt% גרפיט; 12 ואט% PVDF
נוסחת B (עם טפלון®): 78wt% LiNi0_0.5מ"נ_1.5O4; 7.5wt% פחמן שחור; 2.5 wt% גרפיט; 11 wt% PVDF; 1 wt% טפלון®
בשני המקרים, הרכיבים עורבבו ופוזרו ב-N-methylpyrrolidinone (NMP). אנונימי_0.5 מ"נ_1.5O4 ספינל (2 גרם) יחד עם שאר המרכיבים באחוזים שהוזכרו כבר נקבעו פוזרו ב-11 מ"ל תמ"א. במקרים מסוימים, התערובת עברה סוניקציה במשך 25 דקות ולאחר מכן ערבבה בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות. באחרים, התערובת פשוט עורבבה בטמפרטורת החדר במשך 48 שעות, כלומר ללא כל סוניקציה. טיפול הסוניקציה מקדם פיזור הומוגני של רכיבי האלקטרודה ואלקטרודת LNMS המתקבלת נראית אחידה יותר.
אלקטרודות מרוכבות בעלות משקל גבוה, עד 17mg/cm2, הוכנו ונחקרו כאלקטרודות חיוביות לסוללות ליתיום-יון. הוספת טפלון® ויישום טיפול הסוניקציה מובילים לאלקטרודות אחידות המודבקות היטב לרדיד האלומיניום. שני הפרמטרים תורמים לשיפור הקיבולת המתרוקנת בשיעורים גבוהים (5C). דחיסה נוספת של מכלולי האלקטרודה/אלומיניום משפרת באופן ניכר את יכולות קצב האלקטרודות. בקצב 5C, שימור קיבולת יוצא דופן בין 80% ל -90% נמצא עבור אלקטרודות עם משקל בטווח 3-17mg / cm²לאחר טפלון® בנוסחה שלהם, מוכן לאחר סוניקציה של תערובות המרכיבים שלהם דחוס תחת 2 טון / ס"מ.,².
לסיכום, אלקטרודות בעלות 1 wt% טפלון® בנוסחה שלהן, תערובות המרכיבים שלהן עברו טיפול סוניקציה, דחוסות ב -2 טון לסמ"ר ועם משקלים בטווח 2.7-17 מ"ג לסמ"ר הראו יכולת קצב יוצאת דופן. אפילו בזרם גבוה של 5C, יכולת הפריקה המנורמלת הייתה בין 80% ל -90% עבור כל האלקטרודות הללו. (ראה: וידאל ואחרים, 2013)

מפיצים על-קוליים בעלי ביצועים גבוהים לייצור סוללות

Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה ציוד קולי בעל הספק גבוה וביצועים גבוהים, המשמש לעיבוד חומרים קתודה, אנודה ואלקטרוליטים לשימוש בסוללות ליתיום-יון (LIB), סוללות נתרן-יון (NIB) ותאי סוללה אחרים. מערכות קוליות של Hielscher משמשות לסנתז ננו-מרוכבים, לתפקד ננו-חלקיקים ולפזר ננו-חומרים לתרחיפים הומוגניים ויציבים.
מציעה תיק ממעבדה למעבדים קוליים בקנה מידה תעשייתי מלא, Hielscher היא מובילת השוק עבור מפיצי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים. עובד מאז יותר מ -30 שנה בתחום סינתזת ננו-חומרים והפחתת גודל, Hielscher Ultrasonics יש ניסיון רב בעיבוד nanoparticle קולי ומציע את המעבדים קוליים החזקים והאמינים ביותר בשוק. הנדסה גרמנית מספקת טכנולוגיה חדישה ואיכות איתנה.
טכנולוגיה מתקדמת, ביצועים גבוהים ותוכנה מתוחכמת הופכים את האולטרסאונד של Hielscher לסוסי עבודה אמינים בתהליך ייצור האלקטרודות שלך. כל המערכות העל-קוליות מיוצרות במטה בטלטו, גרמניה, נבדקות 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. האולטרסוניקטורים של Hielscher חזקים ועקביים בביצועים, המאפשרים להתקין אותם בסביבות תובעניות ולהפעיל אותם בתנאי חובה כבדים. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג אליהן 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 על כרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לשנות ולהשוות ריצות סוניקציה קודמות ולמטב את הסינתזה, הפונקציונליות והפיזור של ננו-חומרים ומרוכבים ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לסינתזה סונוכימית של ננו-חומרים ומוכחות כאמינות לפיזור ננו-חלקיקים לתרחיפים קולואידים יציבים. Hielscher תעשייתי ultrasonicators יכול ברציפות לרוץ אמפליטודות גבוהות בנויים עבור פעולה 24/7. אמפליטודות של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם sonotrodes סטנדרטי (בדיקות קולי / קרניים). עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
מעבדים קוליים Hielscher עבור סינתזה סונוכימית, פונקציונליזציה, ננו-מבנה ו deagglomeration כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר עכשיו כדי לדון בשלב התהליך שלכם הכולל ננו-חומרים לייצור סוללות! הצוות המנוסה שלנו ישמח לחלוק מידע נוסף על תוצאות פיזור מעולות, מערכות אולטראסוניות בעלות ביצועים גבוהים ותמחור!
עם היתרון של אולטרה-סוניקציה, ייצור האלקטרודות והאלקטרוליטים המתקדם שלך יצטיין ביעילות, פשטות ועלות נמוכה בהשוואה ליצרני אלקטרודות אחרים!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו: