Elektródanyagok szonokémiai szintézise akkumulátorgyártáshoz

A nagy teljesítményű akkumulátorcellák gyártásában a nanoszerkezetű anyagok és a nanokompozitok fontos szerepet játszanak, mivel kiváló elektromos vezetőképességet, nagyobb tárolási sűrűséget, nagy kapacitást és megbízhatóságot biztosítanak. A nanoanyagok teljes funkcionalitásának eléréséhez a nanorészecskéket egyenként kell diszpergálni vagy exfoliálni, és további feldolgozási lépésekre, például funkcionalizálásra is szükség lehet. Az ultrahangos nanofeldolgozás a kiváló, hatékony és megbízható technika a nagy teljesítményű nanoanyagok és nanokompozitok előállítására a fejlett akkumulátorgyártáshoz.

Elektrokémiailag aktív anyagok ultrahangos diszpergálása elektródszuszpenziókban

A nanoanyagokat innovatív elektródanyagként használják, ami az újratölthető akkumulátorok teljesítményének jelentős javulását eredményezte. Az agglomeráció, az aggregáció és a fázisszétválás leküzdése döntő fontosságú az elektródagyártáshoz használt szuszpenziók elkészítésében, különösen nanoméretű anyagok esetén. A nanoanyagok növelik az akkumulátorelektródok aktív felületét, ami lehetővé teszi, hogy a töltési ciklusok során több energiát vegyenek fel, és növeljék teljes energiatároló kapacitásukat. A nanoanyagok előnyeinek teljes kihasználásához ezeket a nanoszerkezetű részecskéket szét kell választani, és különálló részecskékként kell eloszlatni az elektródszuszpenzióban. Az ultrahangos diszpergálási technológia koncentrált, nagy nyíróhatású (szonomechanikai) erőket, valamint szonokémiai energiát biztosít, ami a nanoméretű anyagok atomi szintű keveredéséhez és komplexképződéséhez vezet.
A nanorészecskéket, például a grafént, a szén nanocsöveket (CNT-k), a fémeket és a ritkaföldfém-ásványokat egyenletesen kell diszpergálni stabil szuszpenzióvá ahhoz, hogy magas funkcionalitású elektródanyagokat kapjunk.
A grafénről és a CNT-kről például közismert, hogy javítják az akkumulátorcellák teljesítményét, de a részecskék agglomerációját le kell küzdeni. Ez azt jelenti, hogy feltétlenül szükség van olyan nagy teljesítményű diszpergálási technikára, amely képes nanoanyagok és esetleg nagy viszkozitású közegek feldolgozására. A szondás ultrahangos készülékek olyan nagy teljesítményű diszpergálási módszert kínálnak, amely még nagy szilárdanyag-tartalom mellett is megbízhatóan és hatékonyan képes feldolgozni a nanoanyagokat.

Miért az ultrahangos kezelés a kiváló technika a nanoanyagok feldolgozásához?

Amikor más diszpergálási és keverési technikák, például a nagy nyíróerejű keverők, a gyöngymalmok vagy a nagynyomású homogenizátorok elérik korlátaikat, az ultrahangos kezelés a mikro- és nanorészecskék feldolgozásában kiemelkedő módszer.
A nagy teljesítményű ultrahang és az ultrahanggal létrehozott akusztikus kavitáció egyedülálló energetikai körülményeket és rendkívüli energiasűrűséget biztosít, ami lehetővé teszi a nanoanyagok deagglomerálását vagy exfoliálását, funkcionalizálását, a nanoszerkezetek szintézisét alulról építkező folyamatokban, valamint nagy teljesítményű nanokompozitok előállítását.
Mivel a Hielscher ultrahangos készülékei lehetővé teszik az ultrahangos feldolgozás legfontosabb paramétereinek, például az intenzitásnak (Ws/mL), az amplitúdónak (µm), a hőmérsékletnek (ºC/ºF) és a nyomásnak (bar) a pontos szabályozását, a feldolgozási körülmények minden anyaghoz és folyamathoz egyedileg, optimálisan beállíthatók. Ezáltal az ultrahangos diszpergálók rendkívül sokoldalúak, és számos alkalmazáshoz használhatók, például CNT-k diszpergálásához, grafén exfoliálásához, mag–héj részecskék szonokémiai szintéziséhez vagy szilícium-nanorészecskék funkcionalizálásához.

Szonokémiai úton előállított, 900°C-on 2 h időtartamig kalcinált Na0.44MnO2 SEM-mikrofelvételei.
(Tanulmány és kép: ©Shinde et al., 2019)

Tudjon meg többet az akkumulátorgyártásban nanoanyagok feldolgozására használt Hielscher ipari ultrahangos készülékekről!

Az alábbiakban a nanoanyagok feldolgozásának különféle, ultrahang által vezérelt alkalmazásait találja:

Nanokompozitok ultrahangos szintézise

A grafén–SnO₂ nanokompozit ultrahangos szintézise: Deosakar és munkatársai (2013) kutatócsoportja ultrahanggal segített eljárást fejlesztett ki grafén–SnO2 nanokompozit előállítására. Vizsgálták a nagy teljesítményű ultrahang által létrehozott kavitációs hatásokat a grafén–SnO2 kompozit szintézise során. Az ultrahangos kezeléshez Hielscher Ultrasonics készüléket használtak. Az eredmények azt mutatják, hogy a hagyományos szintézismódszerekhez képest az ultrahang javítja a SnO₂ finom és egyenletes felvitelét a grafén nanolemezekre a grafén-oxid és a SnCl₂·2H₂O közötti oxidációs–redukciós reakció révén.

A grafén-oxid és a SnO₂–grafén nanokompozit képződési folyamatát szemléltető ábra.
(Tanulmány és képek: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafén nanokompozitot sikeresen állítottak elő egy új és hatékony, ultrahanggal segített, oldatalapú kémiai szintéziseljárással, és a grafén-oxidot SnCl₂ segítségével grafénlemezekké redukálták HCl jelenlétében. A TEM-elemzés a SnO₂ egyenletes és finom eloszlását mutatja a grafén nanolemezekben. Kimutatták, hogy az ultrahangos besugárzás alkalmazásával létrehozott kavitációs hatások fokozzák a SnO2 finom és egyenletes felvitelét a grafén nanolemezekre a grafén-oxid és a SnCl₂·2H₂O közötti oxidációs–redukciós reakció során. A SnO2 nanorészecskék (3–5 nm) fokozottan finom és egyenletes felvitelét a redukált grafén nanolemezekre az ultrahangos besugárzás által kiváltott kavitációs hatás következtében javuló gócképződésnek és oldottanyag-transzportnak tulajdonítják. A SnO₂ nanorészecskék finom és egyenletes eloszlását a grafén nanolemezeken a TEM-elemzés is megerősítette. Bemutatták a szintetizált SnO₂–grafén nanokompozit alkalmazását lítiumion-akkumulátorok anódanyagaként. A SnO₂–grafén nanokompozit alapú Li-akkumulátor kapacitása körülbelül 120 cikluson át stabil, és az akkumulátor stabil töltési–kisütési reakciókat tudott ismételten végrehajtani. (Deosakar et al., 2013)

Szonokémiai módszerrel előállított SnO₂–grafén nanokompozit TEM-képe. A skálavonal az (A) képen 10nm, a (B) képen 5nm hosszúságot jelöl.
(Tanulmány és képek: ©Deosakar et al., 2013)

Nanorészecskék ultrahangos diszpergálása akkumulátorszuszpenziókba

Elektródkomponensek diszpergálása: Waser és munkatársai (2011) lítium-vas-foszfáttal (LiFePO₄) készítettek elektródokat. A szuszpenzió LiFePO4-et tartalmazott aktív anyagként, kormot elektromosan vezető adalékanyagként, kötőanyagként pedig N-metil-pirrolidinonban (NMP) oldott polivinilidén-fluoridot használtak. Az AM/CB/PVDF tömegaránya az elektródokban (szárítás után) 83/8,5/8,5 volt. A szuszpenziók elkészítéséhez az elektródok összes összetevőjét NMP-ben keverték ultrahangos keverővel (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min időtartamig, 200 W teljesítményen és 24 kHz frekvencián.
A LiFePO₄ egydimenziós csatornái mentén jelentkező alacsony elektromos vezetőképesség és lassú Li-ion-diffúzió leküzdhető a LiFePO₄ vezető mátrixba, például koromba történő beágyazásával. Mivel a nanoméretű részecskék és a mag–héj részecskeszerkezetek javítják az elektromos vezetőképességet, az ultrahangos diszpergálási technológia és a mag–héj részecskék szonokémiai szintézise lehetővé teszi kiváló nanokompozitok előállítását akkumulátoros alkalmazásokhoz.

Lítium-vas-foszfát diszpergálása: Hagberg kutatócsoportja (Hagberg et al., 2018) az UP100H ultrahangos készüléket használta a lítium-vas-foszfáttal (LFP) bevont szénszálakból álló szerkezeti pozitív elektród előállításához. A szénszálak folytonos, önhordó szálkötegek, amelyek áramgyűjtőként működnek, és mechanikai merevséget, valamint szilárdságot biztosítanak. Az optimális teljesítmény érdekében a szálakat egyenként vonják be, például elektroforetikus leválasztással.
Az LFP-ből, CB-ből és PVDF-ből álló keverékek különböző tömegarányait vizsgálták. Ezeket a keverékeket bevonatként vitték fel a szénszálakra. Mivel az inhomogén eloszlás következtében a bevonófürdő összetétele eltérhet magának a bevonatnak az összetételétől, a különbség minimalizálására intenzív ultrahangos keverést alkalmaznak.
Megállapították, hogy a részecskék viszonylag jól diszpergálódnak a bevonat egészében, amit a felületaktív anyag (Triton X-100) használatának és az elektroforetikus leválasztást megelőző ultrahangos kezelési lépésnek tulajdonítanak.

EPD-bevonatú szénszálak keresztmetszeti és nagy nagyítású SEM-képei. Az LFP, CB és PVDF keverékét ultrahanggal homogenizálták az UP100H ultrahangos készülékkel. Nagyítások: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Tanulmány és kép: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katódanyag diszpergálása:
Vidal és munkatársai (2013) az olyan feldolgozási lépések és tényezők hatását vizsgálták, mint az ultrahangos kezelés, a nyomás és az anyagösszetétel a LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katódok esetében.
A pozitív kompozit elektródok aktív anyagként LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinellt, az elektród elektromos vezetőképességének növelésére grafit és korom keverékét, az elektród kialakításához pedig polivinilidén-fluoridot (PVDF) vagy PVDF és kis mennyiségű Teflon® (1 wt%) keverékét tartalmazták. Az elektródokat szalagöntéssel, lehúzókéses technikával dolgozták fel áramgyűjtőként szolgáló alumíniumfólián. Ezenkívül a komponenskeverékeket ultrahanggal kezelték vagy kezelés nélkül hagyták, és a feldolgozott elektródokat ezt követő hidegsajtolással tömörítették vagy tömörítés nélkül hagyták. Két összetételt vizsgáltak:
A összetétel (Teflon® nélkül): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% korom; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B összetétel (Teflon®-nal): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% korom; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Mindkét esetben N-metil-pirrolidinonban (NMP) keverték és diszpergálták a komponenseket. A LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinellt (2g) a többi komponenssel együtt, a már megadott százalékos arányokban, 11 ml NMP-ben diszpergálták. Egyes esetekben a keveréket 25 min időtartamig ultrahanggal kezelték, majd szobahőmérsékleten 48 h időtartamig keverték. Más esetekben a keveréket csak szobahőmérsékleten, 48 h időtartamig keverték, vagyis ultrahangos kezelés nélkül. Az ultrahangos kezelés elősegíti az elektródkomponensek homogén diszpergálását, és a kapott LNMS-elektród egyenletesebb megjelenésű.
Nagy, akár 17mg/cm2 súlyú kompozit elektródokat készítettek és vizsgáltak lítiumion-akkumulátorok pozitív elektródjaiként. A Teflon® hozzáadása és az ultrahangos kezelés alkalmazása egyenletes elektródokat eredményez, amelyek jól tapadnak az alumíniumfóliához. Mindkét paraméter hozzájárul a nagy kisütési rátánál (5C) kinyerhető kapacitás javításához. Az elektród/alumínium egységek további tömörítése jelentősen javítja az elektródok nagy ráta melletti teljesítőképességét. 5C rátánál figyelemre méltó, 80% és 90% közötti kapacitásmegtartást tapasztaltak a 3–17mg/cm² súlytartományba eső elektródoknál, amelyek összetétele Teflon®-t tartalmazott, komponenskeverékeik ultrahangos kezelése után készültek, és 2 tonnes/cm² nyomáson tömörítették őket.
Összefoglalva, az összetételükben 1 wt% Teflon®-t tartalmazó, ultrahanggal kezelt komponenskeverékekből készített, 2 tonnes/cm2 nyomáson tömörített, 2,7–17 mg/cm2 súlytartományba eső elektródok figyelemre méltó teljesítőképességet mutattak nagy rátánál. Még az 5C értékű nagy áram esetén is 80% és 90% között volt a normalizált kisütési kapacitás az összes ilyen elektródnál. (vö. Vidal et al., 2013)

Nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálók akkumulátorgyártáshoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű, kiváló feldolgozási teljesítményű ultrahangos berendezéseket tervez, gyárt és forgalmaz, amelyekkel lítiumion-akkumulátorokban (LIB), nátriumion-akkumulátorokban (NIB) és más akkumulátorcellákban felhasználható katód-, anód- és elektrolitanyagokat dolgoznak fel. A Hielscher ultrahangos rendszereit nanokompozitok szintézisére, nanorészecskék funkcionalizálására és nanoanyagok homogén, stabil szuszpenziókba történő diszpergálására használják.
A laboratóriumi mérettől a teljes ipari méretig terjedő ultrahangos feldolgozóberendezés-kínálatával a Hielscher piacvezető a nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálók területén. A nanoanyagok szintézisének és méretcsökkentésének területén több mint 30 éve tevékenykedő Hielscher Ultrasonics széles körű tapasztalattal rendelkezik a nanorészecskék ultrahangos feldolgozásában, és a piac legnagyobb teljesítményű és legmegbízhatóbb ultrahangos feldolgozóberendezéseit kínálja. A német mérnöki munka a legkorszerűbb technológiát és robusztus minőséget biztosítja.
A fejlett technológia, a nagy teljesítmény és a kifinomult szoftver az elektródagyártási folyamat megbízható igáslovaivá teszi a Hielscher ultrahangos készülékeit. Minden ultrahangos rendszert a németországi Teltowban található központban gyártanak, minőségük és robusztusságuk szempontjából tesztelnek, majd Németországból szállítanak a világ minden tájára.
A Hielscher ultrahangos készülékeinek kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy megbízható működést, reprodukálható eredményeket és felhasználóbarát kezelést garantáljanak. A Hielscher ultrahangos készülékei robusztusak és egyenletes teljesítményt nyújtanak, ami lehetővé teszi telepítésüket igényes környezetekbe és működtetésüket nagy igénybevétel mellett. Az üzemi beállítások könnyen elérhetők és kiválaszthatók az intuitív menüben, amely digitális színes érintőkijelzőn és böngészős távvezérlésen keresztül érhető el. Így minden feldolgozási körülmény, például a nettó energia, az összenergia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül a beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos kezelési folyamatok áttekintését és összehasonlítását, valamint a nanoanyagok és kompozitok szintézisének, funkcionalizálásának és diszpergálásának optimalizálását a legmagasabb hatékonyság eléréséhez.
A Hielscher Ultrasonics rendszereit világszerte használják nanoanyagok szonokémiai szintézisére, és bizonyítottan megbízhatóak a nanorészecskék stabil kolloid szuszpenziókba történő diszpergálásában. A Hielscher ipari ultrahangos készülékei folyamatosan működhetnek nagy amplitúdóval, és 24/7 üzemre készültek. Szabványos szonotró­dákkal (ultrahangos szondákkal / kürtökkel) akár 200µm amplitúdó is könnyen, folyamatosan előállítható. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
A Hielscher szonokémiai szintézishez, funkcionalizáláshoz, nanoszerkezet kialakításához és deagglomeráláshoz használt ultrahangos feldolgozóberendezéseit már világszerte telepítették kereskedelmi léptékben. Lépjen kapcsolatba velünk most, hogy megbeszélhessük az akkumulátorgyártáshoz kapcsolódó, nanoanyagokat érintő folyamati lépését! Tapasztalt munkatársaink szívesen nyújtanak további tájékoztatást a kiváló diszpergálási eredményekről, a nagy teljesítményű ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Az ultrahangos kezelés előnye révén az Ön fejlett elektród- és elektrolitgyártása hatékonyságban, egyszerűségben és alacsony költségekben kiemelkedik majd más elektródgyártókhoz képest!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: