Sonokemijska sinteza elektrodnih materijala za proizvodnju baterija

U proizvodnji baterijskih ćelija visokih performansi, nanostrukturirani materijali i nanokompoziti igraju važnu ulogu osiguravajući vrhunsku električnu vodljivost, veću gustoću skladištenja, visok kapacitet i pouzdanost. Kako bi se postigla puna funkcionalnost nanomaterijala, nanočestice se moraju pojedinačno raspršiti ili oljuštiti i možda će trebati daljnji koraci obrade kao što je funkcionalizacija. Ultrazvučna nano-obrada je vrhunska, učinkovita i pouzdana tehnika za proizvodnju visokoučinkovitih nanomaterijala i nanokompozita za naprednu proizvodnju baterija.

Ultrazvučna disperzija elektrokemijski aktivnih materijala u muljevitima elektroda

Nanomaterijali se koriste kao inovativni materijali za elektrode, što je rezultiralo značajno poboljšanim performansama punjivih baterija. Prevladavanje aglomeracije, agregacije i razdvajanja faza ključno je za pripremu kaša za proizvodnju elektroda, posebno kada su uključeni materijali nano veličine. Nanomaterijali povećavaju aktivnu površinu elektroda baterije, što im omogućuje da apsorbiraju više energije tijekom ciklusa punjenja i da povećaju svoj ukupni kapacitet skladištenja energije. Kako bi se dobila potpuna prednost nanomaterijala, ove nano-strukturirane čestice moraju se raspetljati i distribuirati kao zasebne čestice u kaši elektrode. Ultrazvučna tehnologija raspršivanja osigurava fokusirane (sonomehničke) sile visokog smicanja kao i sonokemijsku energiju, što dovodi do miješanja na atomskoj razini i kompleksiranja materijala nano veličine.
Nanočestice kao što su grafen, ugljikove nanocijevi (CNT), metali i minerali rijetkih zemalja moraju se ravnomjerno raspršiti u stabilnu kašu kako bi se dobili visoko funkcionalni materijali za elektrode.
Na primjer, dobro je poznato da grafen i CNT poboljšavaju performanse baterijskih ćelija, ali aglomeracija čestica se mora prevladati. To znači da je apsolutno potrebna tehnika disperzije visokih performansi, sposobna za obradu nanomaterijala i moguće visoke viskoznosti. Ultrazvučni uređaji tipa sonde su dispergirajuća metoda visokih performansi, koja može pouzdano i učinkovito obraditi nanomaterijale čak i pri velikim krutim opterećenjima.

Zašto je sonikacija vrhunska tehnika za obradu nanomaterijala?

Kada druge tehnike raspršivanja i miješanja kao što su mikseri s velikim smicanjem, mlinovi s kuglicama ili visokotlačni homogenizatori dođu do svojih granica, ultrazvučna obrada je metoda koja se ističe za obradu mikronskih i nanočestica.
Ultrazvuk velike snage i ultrazvučno generirana akustična kavitacija pružaju jedinstvene energetske uvjete i ekstremnu gustoću energije koji omogućuju deaglomeraciju ili eksfolijaciju nanomaterijala, njihovu funkcionalizaciju, sintetiziranje nanostruktura u procesima odozdo prema gore i pripremu nanokompozita visokih performansi.
Budući da Hielscher ultrasonicators omogućuju preciznu kontrolu najvažnijih parametara ultrazvučne obrade kao što su intenzitet (Ws/mL), amplituda (µm), temperatura (ºC/ºF) i tlak (bar), uvjeti obrade mogu se pojedinačno podesiti na optimalne postavke za svaki materijal i proces. Stoga su ultrazvučni raspršivači vrlo svestrani i mogu se koristiti za brojne primjene, npr. CNT disperziju, eksfolijaciju grafena, sonokemijsku sintezu čestica jezgre ljuske ili funkcionalizaciju nanočestica silicija.

SEM mikrofotografije sonokemijski pripremljenog Na0,44MnO2 kalcinacijom na 900°C tijekom 2 sata.
(Studija i slika: ©Shinde et al., 2019.)

Saznajte više o Hielscher industrijskim ultrazvučnim uređajima za obradu nanomaterijala u proizvodnji baterija!

U nastavku možete pronaći razne ultrazvučno vođene primjene obrade nanomaterijala:

Ultrazvučna sinteza nanokompozita

Ultrazvučna sinteza grafen–SnO₂ nanokompozit: Istraživački tim Deosakar et al. (2013.) razvili su ultrazvučni put za pripremu nanokompozita grafena i SnO2. Istraživali su kavitacijske učinke koje stvara ultrazvuk velike snage tijekom sinteze kompozita grafena i SnO2. Za sonikaciju su koristili Hielscher Ultrasonics uređaj. Rezultati pokazuju ultrazvučno poboljšano fino i ravnomjerno punjenje SnO₂ na grafenskim nanopločama oksidacijsko-redukcijskom reakcijom između grafen oksida i SnCl₂·2H₂O u usporedbi s konvencionalnim metodama sinteze.

Grafikon koji prikazuje proces stvaranja grafen oksida i SnO₂– grafenski nanokompozit.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013.)

SnO₂– grafenski nanokompozit uspješno je pripremljen putem nove i učinkovite rute kemijske sinteze temeljene na otopini potpomognute ultrazvukom, a grafen oksid reduciran je SnCl₂ na grafenske ploče u prisutnosti HCl. TEM analiza pokazuje ravnomjerno i fino opterećenje SnO₂ u grafenskim nanopločama. Pokazalo se da kavitacijski učinci proizvedeni korištenjem ultrazvučnog zračenja intenziviraju fino i ravnomjerno opterećenje SnO2 na grafenskim nanoplohama tijekom oksidacijsko-redukcijske reakcije između grafen oksida i SnCl₂·2H₂O. Pojačano fino i ravnomjerno opterećenje nanočestica SnO2 (3–5 nm) na reduciranim grafenskim nanoplohama pripisuje se pojačanoj nukleaciji i prijenosu otopljene tvari zbog kavitacijskog učinka izazvanog ultrazvučnim zračenjem. Fino i ravnomjerno opterećenje SnO₂ nanočestica na grafenskim nanopločama također je potvrđeno TEM analizom. Primjena sintetiziranog SnO₂– demonstriran je grafenski nanokompozit kao anodni materijal u litij-ionskim baterijama. Kapacitet SnO₂– Li-baterija na bazi grafena nanokompozita stabilna je oko 120 ciklusa, a baterija bi mogla ponoviti stabilnu reakciju punjenja i pražnjenja. (Deosakar i sur., 2013.)

TEM slika SnO₂–grafenski nano-kompozit pripremljen sonokemijskom metodom. Traka označava na (A) 10nm, na (B) na 5nm.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013.)

Ultrazvučna disperzija nanočestica u mulj baterije

Disperzija komponenti elektrode: Waser i sur. (2011) pripremili su elektrode s litij željeznim fosfatom (LiFePO₄). Suspenzija je sadržavala LiFePO4 kao aktivni materijal, čađu kao elektrovodljivi aditiv, poliviniliden fluorid otopljen u N-metilpirolidinonu (NMP) korišten je kao vezivo. Maseni omjer (nakon sušenja) AM/CB/PVDF u elektrodama bio je 83/8,5/8,5. Za pripremu suspenzija, svi sastojci elektrode su pomiješani u NMP ultrazvučnom miješalicom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 minute na 200 W i 24 kHz.
Niska električna vodljivost i spora difuzija Li-iona duž jednodimenzionalnih kanala LiFePO₄ može se prevladati ugradnjom LiFePO₄ u vodljivoj matrici, npr. čađi. Budući da čestice nano veličine i strukture čestica jezgre i ljuske poboljšavaju električnu vodljivost, ultrazvučna disperzijska tehnologija i sonokemijska sinteza čestica jezgre i ljuske omogućuju proizvodnju vrhunskih nanokompozita za primjenu u baterijama.

Disperzija litij željezo fosfata: Hagbergov istraživački tim (Hagberg et al., 2018) koristio je ultrazvuk UP100H za postupak strukturne pozitivne elektrode koja se sastoji od ugljičnih vlakana obloženih litij željezo fosfatom (LFP). Karbonska vlakna su kontinuirana, samostojeća vlakna koja djeluju kao odvodnici struje i osigurat će mehaničku krutost i snagu. Za optimalnu izvedbu, vlakna su presvučena pojedinačno, npr. korištenjem elektroforetskog taloženja.
Ispitani su različiti težinski omjeri mješavina LFP, CB i PVDF. Ove su smjese nanesene na karbonska vlakna. Budući da se nehomogena raspodjela u sastavu kupke za oblaganje može razlikovati od sastava u samom premazu, koristi se strogo miješanje ultrazvučnom obradom kako bi se razlika svela na minimum.
Primijetili su da su čestice relativno dobro raspršene po premazu što se pripisuje upotrebi surfaktanta (Triton X-100) i koraku ultrazvučne obrade prije elektroforetskog taloženja.

Poprečni presjek i SEM slike velikog povećanja EPD presvučenih karbonskih vlakana. Mješavina LFP, CB i PVDF je ultrazvučno homogenizirana korištenjem ultrazvuk UP100H. Povećanja: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studija i slika: ©Hagberg et al., 2018.)

Disperzija LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozitni katodni materijal:
Vidal i sur. (2013.) istraživali su utjecaj koraka obrade kao što su sonikacija, tlak i sastav materijala za LiNi_0.5Mn_1.5O₄kompozitne katode.
Pozitivne kompozitne elektrode s LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel kao aktivni materijal, mješavina grafita i čađe za povećanje električne vodljivosti elektrode i ili polivinildenfluorid (PVDF) ili mješavina PVDF s malom količinom Teflon® (1 wt%) za izgradnju elektrode. Obrađene su lijevanjem trake na aluminijskoj foliji kao odvodniku struje tehnikom raktora. Dodatno, mješavine komponenata su ili obrađene ultrazvukom ili ne, a obrađene elektrode su zbijene ili ne pod naknadnim hladnim prešanjem. Ispitane su dvije formulacije:
A-Formulacija (bez Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 tež.% čađe; 2,5 tež.% grafita; 12 tež.% PVDF
B-Formulacija (s Teflon®): 78 wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 tež.% čađe; 2,5 tež.% grafita; 11 tež.% PVDF; 1 tež.% Teflon®
U oba slučaja komponente su pomiješane i dispergirane u N-metilpirolidinonu (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g) zajedno s ostalim komponentama u već navedenim postocima dispergiran je u 11 ml NMP. U nekim posebnim slučajevima, smjesa je sonikirana 25 minuta i zatim miješana na sobnoj temperaturi 48 sati. U nekim drugim, smjesa je samo miješana na sobnoj temperaturi 48 h, tj. bez ikakve sonikacije. Tretman ultrazvukom potiče homogenu disperziju komponenti elektrode i dobivena LNMS-elektroda izgleda ujednačenije.
Pripremljene su i proučavane kompozitne elektrode velike težine, do 17mg/cm2, kao pozitivne elektrode za litij-ionske baterije. Dodavanje Teflon®-a i primjena tretmana ultrazvukom dovode do jednolikih elektroda koje su dobro pričvršćene na aluminijsku foliju. Oba parametra pridonose poboljšanju kapaciteta koji se troši pri visokim brzinama (5C). Dodatno zbijanje elektroda/aluminijskih sklopova nevjerojatno povećava mogućnosti brzine elektrode. Pri brzini od 5C, izvanredno zadržavanje kapaciteta između 80% i 90% pronađeno je za elektrode s težinama u rasponu 3-17mg/cm², koji imaju Teflon® u svojoj formulaciji, pripremljeni nakon sonikacije njihovih mješavina komponenti i zbijeni ispod 2 tone/cm².
Ukratko, elektrode koje imaju 1 wt% Teflon® u svojoj formulaciji, njihove mješavine komponenata podvrgnute tretmanu ultrazvukom, zbijene na 2 tone/cm2 i s težinama u rasponu od 2,7-17 mg/cm2 pokazale su izvanrednu sposobnost brzine. Čak i pri visokoj struji od 5C, normalizirani kapacitet pražnjenja bio je između 80% i 90% za sve te elektrode. (usp. Vidal i sur., 2013.)

Visokoučinkoviti ultrazvučni raspršivači za proizvodnju baterija

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučnu opremu visoke snage i visokih performansi koja se koristi za obradu katodnih, anodnih i elektrolitnih materijala za upotrebu u litij-ionskim baterijama (LIB), natrij-ionskim baterijama (NIB) i drugim baterijske ćelije. Hielscher ultrazvučni sustavi koriste se za sintetiziranje nanokompozita, funkcionalizaciju nanočestica i raspršivanje nanomaterijala u homogene, stabilne suspenzije.
Nudeći portfelj od laboratorijskih do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher je vodeći na tržištu ultrazvučnih raspršivača visokih performansi. Radeći više od 30 godina u području sinteze nanomaterijala i smanjenja veličine, Hielscher Ultrasonics ima veliko iskustvo u ultrazvučnoj obradi nanočestica i nudi najsnažnije i najpouzdanije ultrazvučne procesore na tržištu. Njemački inženjering pruža najsuvremeniju tehnologiju i robusnu kvalitetu.
Napredna tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver pretvaraju Hielscher ultrasonicators u pouzdane radne konje u vašem procesu proizvodnje elektroda. Svi ultrazvučni sustavi proizvode se u sjedištu u Teltowu u Njemačkoj, testiraju se na kvalitetu i robusnost i zatim se iz Njemačke distribuiraju diljem svijeta.
Sofisticirani hardver i pametni softver Hielscher ultrasoničara dizajnirani su da jamče pouzdan rad, ponovljive rezultate kao i lakoću korištenja. Hielscher ultrasonicators su robusni i dosljedni u performansama, što im omogućuje instalaciju u zahtjevnim okruženjima i rad u teškim uvjetima rada. Operativnim postavkama može se jednostavno pristupiti i birati putem intuitivnog izbornika, kojem se može pristupiti putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljača preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, tlak i temperatura automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje reviziju i usporedbu prethodnih sonikacijskih ciklusa i optimizaciju sinteze, funkcionalizacije i disperzije nanomaterijala i kompozita do najveće učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sustavi koriste se diljem svijeta za sonokemijsku sintezu nanomaterijala i dokazano su pouzdani za disperziju nanočestica u stabilne koloidne suspenzije. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu kontinuirano raditi visoke amplitude i napravljeni su za rad 24/7. Amplitude do 200 µm mogu se jednostavno kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonokemijsku sintezu, funkcionalizaciju, nano-strukturiranje i deaglomeraciju već su instalirani širom svijeta na komercijalnoj razini. Kontaktirajte nas sada kako bismo razgovarali o vašem koraku procesa koji uključuje nanomaterijale za proizvodnju baterija! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o vrhunskim rezultatima disperzije, ultrazvučnim sustavima visokih performansi i cijenama!
Uz prednost ultrazvučne obrade, vaša napredna proizvodnja elektroda i elektrolita isticat će se u učinkovitosti, jednostavnosti i niskoj cijeni u usporedbi s drugim proizvođačima elektroda!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: