A nagy teljesítményű akkumulátorcellák gyártásában a nanoszerkezetű anyagok és a nanokompozitok fontos szerepet játszanak, kiváló elektromos vezetőképességet, nagyobb tárolási esztétivitást, nagy kapacitást és megbízhatóságot biztosítva. A nanoanyagok teljes funkcionalitásának elérése érdekében a nanorészecskéket egyedileg el kell diszpergálni vagy hámlasztani, és további feldolgozási lépésekre, például funkcionalizációra lehet szükség. Ultrahangos nano-feldolgozás a kiváló, hatékony és megbízható technika előállítására nagy teljesítményű nanoanyagok és nanokompozitok a fejlett akkumulátorgyártás.

Elektrokémiailag aktív anyagok ultrahangos diszperziója elektróda iszapokban

A nanoanyagokat innovatív elektródaanyagként használják, ami jelentősen megnövelte az újratölthető akkumulátorok teljesítményét. Az agglomeráció, az aggregáció és a fáziselválasztás leküzdése döntő fontosságú az elektródagyártáshoz szükséges iszapok elkészítéséhez, különösen akkor, ha nanoméretű anyagokról van szó. A nanoanyagok növelik az akkumulátorelektródák aktív felületét, ami lehetővé teszi számukra, hogy több energiát szívjanak fel a töltési ciklusok során, és növeljék teljes energiatárolási kapacitásukat. A nanoanyagok teljes körű előnyének elérése érdekében ezeket a nanoszerkezetű részecskéket ki kell bontani, és külön részecskékként kell elosztani az elektróda hígtrágyaban. Ultrahangos diszperziós technológia koncentrált magas nyíró (sonomechnical) erők, valamint a szonokémiai energia, ami atomi szintű keverés és összetettsége nano méretű anyagok.
A nanorészecskéket, például a grafént, a szén nanocsöveket (CNT-k), a fémeket és a ritkaföldfémeket egyenletesen kell stabil hígtrágyaként elszórni annak érdekében, hogy rendkívül funkcionális elektródaanyagokat kapjunk.
Például a grafén és a CNT-k jól ismertek az akkumulátorcella teljesítményének fokozására, de a részecske-agglomerációt le kell küzdeni. Ez azt jelenti, hogy feltétlenül szükség van egy nagy teljesítményű diszperziós technikára, amely képes nanoanyagok és esetleg nagy viszkozitások feldolgozására. A szonda típusú ultrasonicators a nagy teljesítményű diszperziós módszer, amely megbízhatóan és hatékonyan képes feldolgozni a nanoanyagokat még nagy szilárd terhelések esetén is.

Miért a szonikálás a nanoanyag-feldolgozás kiváló technikája?

Amikor más diszperziós és keverési technikák, mint például a nagy nyírás keverők, gyöngymalmok vagy nagynyomású homogenizátorok jönnek a határaikat, ultrahangos az a módszer, amely kiemelkedik a mikron- és nanorészecskék feldolgozására.
A nagy teljesítményű ultrahang és az ultrahangosan generált akusztikus kavitáció egyedülálló energiafeltételeket és szélsőséges energiasűrűséget biztosít, amely lehetővé teszi a nanoanyagok deagglomerátumát vagy hámlasztását, funkcionálissá tétele, a nanostruktúrák szintetizálása alulról felfelé irányuló folyamatokban, valamint nagy teljesítményű nanokompozitok készítése.
Mivel a Hielscher ultrasonicators lehetővé teszi a legfontosabb ultrahangos feldolgozási paraméterek pontos szabályozását, mint például az intenzitás (Ws / ml), az amplitúdó (μm), a hőmérséklet (ºC / ºF) és a nyomás (rúd), a feldolgozási feltételek egyedileg hangolhatók az egyes anyagok és folyamatok optimális beállításaihoz. Ezáltal az ultrahangos diszperziók rendkívül sokoldalúak, és számos alkalmazáshoz használhatók, például CNT diszperzióhoz, grafén hámláshoz, maghéjrészecskék szonokémiai szintéziséhez vagy szilícium nanorészecskék funkcionalizálásához.

SEM mikrográfok szonokémiailag elkészített Na0.44MnO2 kalcinálással 900 °C-on 2 órán át.
(Tanulmány és kép: ©Shinde et al., 2019)

Tudjon meg többet a Hielscher ipari ultrahangos készülékekről az akkumulátorgyártás nanoanyag-feldolgozásához!

Az alábbiakban a nanoanyag-feldolgozás különböző ultrahangos vezérelt alkalmazásai találhatók:

A nanokompozitok ultrahangos szintézise

A grafén-SnO ultrahangos szintézise₂ nanokompozit: A Kutatócsoport Deosakar et al. (2013) kifejlesztett egy ultrahangosan támogatott útvonalat, hogy készítsen egy grafén-SnO2 nanokompozit. Megvizsgálták a nagy teljesítményű ultrahang által generált kavitációs hatásokat a grafén-SnO2 kompozit szintézise során. A szonikáláshoz Hielscher Ultrasonics készüléket használtak. Az eredmények azt mutatják, ultrahangosan jobb finom és egyenletes terhelésE SnO₂ grafén nanolapok oxidációs-redukciós reakcióval a grafén-oxid és az SnCl között₂· 2H₂O a hagyományos szintézis módszerekhez képest.

A grafén-oxid és az SnO kialakulásának folyamatát bemutató diagram₂–grafén nanokompozit.
(Tanulmány és képek: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂– a grafén nanokompozitot sikeresen elkészítették egy új és hatékony ultrahang-támogatott oldatalapú kémiai szintézis útvonalon keresztül, és a grafén-oxidot az SnCl csökkentette₂ grafénlapokra HCl. TEM analízissel mutatja az SnO egyenletes és finom terhelését₂ grafén nanolapokban. Kimutatták, hogy az ultrahangos besugárzások alkalmazása miatt keletkező kavitációs hatások fokozzák az SnO2 finom és egyenletes terhelését a grafén nanolapokon a grafén-oxid és az SnCl közötti oxidációs-redukciós reakció során₂· 2H₂O. Az SnO2 nanorészecskék (3–5 nm) fokozott finom és egyenletes terhelése a csökkentett grafén nanolapokra az ultrahangos besugárzás által kiváltott kavitációs hatás miatt a fokozott nukleációnak és oldott átvitelnek tulajdonítható. Az SnO finom és egyenletes betöltése₂ a grafén nanolapok nanolemezeken lévő nanorészecskéket a TEM-elemzés is megerősítette. A szintetizált SnO alkalmazása₂–a grafén nanokompozit, mint a lítium-ion akkumulátorok anódanyaga bemutatkozott. Az SnO kapacitása₂A grafén nanokompozit alapú Li-akkumulátor körülbelül 120 cikluson át stabil, és az akkumulátor megismételheti a stabil töltés-kisülési reakciót. (Deosakar et al., 2013)

Az SnO TEM képe₂–grafén nano-kompozit sonokémiai módszerrel. A sáv (A) 10nm, (B) 5nm-nél jelzi.
(Tanulmány és képek: ©Deosakar et al., 2013)

A nanorészecskék ultrahangos diszperziója az akkumulátor iszapjaiba

Az elekod komponensek diszperziója: Waser et al. (2011) készített elektródák lítium-vas-foszfáttal (LiFePO)₄). A hígtrágya aktív anyagként tartalmazta a LiFePO4-et, a szénfekete elektromosan vezető adalékanyagként, az N-metil-ritolidinonban (NMP) oldott polivinil-fluoridot kötőanyagként használták. Az AM/CB/PVDF tömegaránya (szárítás után) az elektródákban 83/8,5/8,5 volt. A szuszpenziók elkészítéséhez az összes elektróda-összetevőt NMP-ben ultrahangos keverővel keverték (UP200H, Hielscher ultrahangos) 2 percig 200 W-nál és 24 kHz-en.
Alacsony elektromos vezetőképesség és lassú Li-ion diffúzió a LiFePO egydimenziós csatornái mentén₄ a LiFePO beágyazásával leküzdhető₄ vezetőképes mátrixban, pl. szénfekete. Mivel a nanoméretű részecskék és a maghéj részecskeszerkezetek javítják az elektromos vezetőképességet, az ultrahangos diszperziós technológia és a maghéj részecskék szonokémiai szintézise lehetővé teszi, hogy kiváló nanokompozitokat állítsanak elő az akkumulátor alkalmazásokhoz.

A lítium-vas-foszfát diszperziója: Hagberg kutatócsoportja (Hagberg et al., 2018) a ultrasonicator UP100H lítium-vas-foszfátból (LFP) bevont szénszálakból álló szerkezeti pozitív elektróda eljárásához. A szénszálak folyamatos, önálló vontatók, amelyek áramgyűjtőként működnek, és mechanikai merevséget és szilárdságot biztosítanak. Az optimális teljesítmény érdekében a szálakat külön-külön vonják be, például elektroforetikus lerakódással.
Az LFP-ből, CB-ből és PVDF-ből álló keverékek különböző tömegarányait vizsgálták. Ezeket a keverékeket szénszálakra vonták. Mivel a bevonatfürdő kompozícióinak inhomogén eloszlása eltérhet a bevonat összetételétől, az ultrahangos kezeléssel történő szigorú keverést használják a különbség minimalizálására.
Megjegyezték, hogy a részecskék viszonylag jól szétszóródnak a bevonatban, ami a felületaktív anyag (Triton X-100) használatának és az elektroforikus lerakódás előtti ultrahangos lépésnek tulajdonítható.

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

A LiNi diszperziója_00,5Mn_1,5O₄ kompozit katód anyag:
Vidal et al. (2013) megvizsgálta a feldolgozási lépések hatását, mint például a szonikálás, a nyomás és az anyagösszetétel a LiNi számára._00,5Mn_1,5O₄összetett katódok.
LiNi-vel rendelkező pozitív kompozit elektródák_00,5 Mn_1,5O4 spinel aktív anyagként, grafit és szénfekete keveréke az elektróda elektromos vezetőképességének növeléséhez, vagy polivinil-fluorid (PVDF), vagy PVDF keveréke kis mennyiségű teflonnal® (1 wt%) az elektród felépítéséhez. Ezeket szalagöntéssel dolgozták fel alumíniumfólián, mint jelenlegi kollektort az orvos penge technikájával. Ezenkívül az alkatrészkeverékeket vagy szonikálták, vagy sem, és a feldolgozott elektródákat tömörítették, vagy nem a későbbi hideg préselés alatt. Két készítményt teszteltek:
A-összetétel (teflon® nélkül): 78 wt% LiNi_00,5 Mn_1,5O4; 7,5 wt% szénfekete; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B-összetétel (teflonnal®): 78wt% LiNi0_00,5Mn_1,5O4; 7,5wt% szénfekete; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% teflon®
Mindkét esetben az összetevőket N-metil-ritolidinonban (NMP) keverték és diszpergálták. LiNi_00,5 Mn_1,5Az O4 spinel (2g) a már beállított, említett százalékokban lévő többi összetevővel együtt 11 ml NMP-ben oszlott el. Bizonyos esetekben a keveréket 25 percig szonikáltuk, majd szobahőmérsékleten 48 órán át keverjük. Másokban a keveréket csak szobahőmérsékleten keverték 48 órán át, azaz szonikálás nélkül. A szonikálás kezelés elősegíti az elektróda komponensek homogén diszperzióját, és a kapott LNMS-elektróda egységesebbnek tűnik.
A nagy tömegű, legfeljebb 17 mg/cm2 tömegű kompozit elektródákat pozitív elektródákként készítették és tanulmányozták lítium-ion akkumulátorokhoz. A teflon® hozzáadása és a szonikálás kezelése egységes elektródákhoz vezet, amelyek jól tapadnak az alumíniumfóliához. Mindkét paraméter hozzájárul a nagy arányban (5C) leeresztett kapacitás javításához. Az elektróda/alumínium szerelvények további tömörítése jelentősen növeli az elektródasebesség képességeit. 5 °S sebességnél figyelemre méltó, 80 és 90% közötti kapacitásmegtartás található a 3-17 mg/cm tömegű elektródák esetében.², teflont® tartalmazó készítményük, amelyet komponenskeverékeik szonikálása után készítenek és 2 tonna/cm alatt tömörítettek².
Összefoglalva, azok az elektródák, amelyek összetételében 1 wt% teflon® volt, komponenskeverékeik 2 tonna /cm2-es szonikáláskezelésnek vannak kitéve, és 2,7-17 mg / cm2 súlyúak figyelemre méltó sebességi képességet mutattak. Még az 5C magas áramnál is a normalizált kisülési kapacitás 80% és 90% között volt ezeknél az elektródáknál. (vö. Vidal et al., 2013)

Nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálók az akkumulátorgyártáshoz

Hielscher Ultrasonics tervez, gyárt és forgalmaz nagy teljesítményű ultrahangos berendezések, amelyek feldolgozására használják katód, anód, és elektrolit anyagok használata lítium-ion akkumulátorok (LIB), nátrium-ion akkumulátorok (NIB), és más akkumulátorcellák. Hielscher ultrahangos rendszerek használják szintetizálja nanokompozitok, funkcionalizálja nanorészecskék, és eloszlatja nanoanyagok homogén, stabil szuszpenziók.
A laboratóriumtól a teljesen ipari méretű ultrahangos processzorokig terjedő portfóliót kínáló Hielscher piacvezető a nagy teljesítményű ultrahangos diszpergálók számára. Több mint 30 éve dolgozik a nanoanyagszintézis és a méretcsökkentés területén, a Hielscher Ultrasonics széles körű tapasztalattal rendelkezik az ultrahangos nanorészecske-feldolgozásban, és a legerősebb és legmegbízhatóbb ultrahangos processzorokat kínálja a piacon. A német mérnöki munka a legmodernebb technológiát és robusztus minőséget biztosítja.
A fejlett technológia, a nagy teljesítményű és kifinomult szoftverek a Hielscher ultrasonicatorokat megbízható munkalovakká alakítják az elektróda gyártási folyamatában. Minden ultrahangos rendszert a németországi Teltow központjában gyártanak, minőségre és robusztusságra tesztelnek, majd Németországból forgalmazzák a világ minden tájáról.
A Hielscher ultrasonicatorok kifinomult hardverét és intelligens szoftverét úgy tervezték, hogy garantálja a megbízható működést, a reprodukálható eredményeket és a felhasználóbarátságot. A Hielscher ultrasonicators robusztus és következetes a teljesítmény, amely lehetővé teszi, hogy telepítse őket igényes környezetben, és működtesse őket nagy teherbírású körülmények között. Az üzemeltetési beállítások könnyen elérhetők és tárcsázhatók az intuitív menün keresztül, amelyek digitális színes érintőképernyőn és böngésző távirányítón keresztül érhetők el. Ezért minden feldolgozási feltételt, például a nettó energiát, a teljes energiát, az amplitúdót, az időt, a nyomást és a hőmérsékletet automatikusan rögzítik egy beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi szonikálási futtatások felülvizsgálatát és összehasonlítását, valamint a nanoanyagok és kompozitok szintézisének, funkcionalizálásának és diszperziójának optimalizálását a legnagyobb hatékonyság érdekében.
Hielscher Ultrasonics rendszerek használják világszerte sonochemical szintézise nanoanyagok és bizonyítottan megbízható a diszperziós nanorészecskék stabil kolloid szuszpenziók. A Hielscher ipari ultrahangos készülékek folyamatosan nagy amplitúdójúak, és a hét minden második és 24 órájában működnek. A legfeljebb 200 μm-es amplitúdók könnyen folyamatosan generálhatók szabványos szonotródokkal (ultrahangos szondák / szarvak). A még nagyobb amplitúdó, testreszabott ultrahangos sonotrodes állnak rendelkezésre.
Hielscher ultrahangos processzorok sonokémiai szintézis, funkcionalizáció, nano-strukturálás és deagglomeration már telepített világszerte kereskedelmi méretekben. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megvitassuk az akkumulátorgyártáshoz nanoanyagokat érintő folyamatlépését! Tapasztalt munkatársaink örömmel osztanak meg további információkat a kiváló diszperziós eredményekről, a nagy teljesítményű ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Az ultrahangos kezelés előnyeivel a fejlett elektróda és elektrolitgyártás kiemelkedik a hatékonyságban, az egyszerűségben és az alacsony költségekben, összehasonlítva más elektródgyártókkal!

Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi: