Էլեկտրոդային նյութերի սոնոքիմիական սինթեզ մարտկոցների արտադրության համար

Բարձր արդյունավետությամբ մարտկոցների բջիջների արտադրության մեջ նանոկառուցվածքային նյութերը և նանոկոմպոզիտները կարևոր դեր են խաղում՝ ապահովելով բարձր էլեկտրական հաղորդունակություն, պահեստավորման ավելի մեծ խտություն, բարձր հզորություն և հուսալիություն: Նանոնյութերի լիարժեք ֆունկցիոնալությունը ձեռք բերելու համար նանոմասնիկները պետք է անհատապես ցրվեն կամ շերտազատվեն և կարող են կարիք ունենալ հետագա մշակման քայլերի, ինչպիսին է ֆունկցիոնալացումը: Ուլտրաձայնային նանոմշակումը գերադասելի, արդյունավետ և հուսալի տեխնիկան է՝ առաջադեմ մարտկոցների արտադրության համար բարձր արդյունավետությամբ նանոնյութեր և նանոկոմպոզիտներ արտադրելու համար:

Էլեկտրաքիմիական ակտիվ նյութերի ուլտրաձայնային ցրումը էլեկտրոդի ցեխի մեջ

Նանոնյութերն օգտագործվում են որպես նորարարական էլեկտրոդային նյութեր, ինչի արդյունքում զգալիորեն բարելավվել է վերալիցքավորվող մարտկոցների աշխատանքը: Ագլոմերացիայի, ագրեգացիայի և փուլային տարանջատման հաղթահարումը շատ կարևոր է էլեկտրոդների արտադրության համար ցեխերի պատրաստման համար, հատկապես, երբ ներգրավված են նանո չափի նյութեր: Նանոնյութերը մեծացնում են մարտկոցի էլեկտրոդների ակտիվ մակերեսը, ինչը թույլ է տալիս նրանց ավելի շատ էներգիա կլանել լիցքավորման ցիկլերի ընթացքում և մեծացնել էներգիայի պահպանման ընդհանուր հզորությունը: Նանոնյութերի լիարժեք առավելություն ստանալու համար այս նանո կառուցվածքով մասնիկները պետք է խճճվեն և բաշխվեն որպես առանձին մասնիկներ էլեկտրոդի ցեխի մեջ: Ուլտրաձայնային ցրման տեխնոլոգիան ապահովում է կենտրոնացված բարձր կտրվածքի (սոնոմեխնիկական) ուժեր, ինչպես նաև սոնոքիմիական էներգիա, ինչը հանգեցնում է ատոմային մակարդակի խառնուրդի և նանո չափի նյութերի բարդացման:
Նանո-մասնիկները, ինչպիսիք են գրաֆենը, ածխածնային նանոխողովակները (CNTs), մետաղները և հազվագյուտ հողային միներալները, պետք է միատեսակ ցրվեն կայուն ցեխի մեջ՝ բարձր ֆունկցիոնալ էլեկտրոդային նյութեր ստանալու համար:
Օրինակ, գրաֆենը և CNT-ները լավ հայտնի են մարտկոցի բջիջների աշխատանքը բարելավելու համար, սակայն մասնիկների կուտակումը պետք է հաղթահարվի: Սա նշանակում է, որ բարձր արդյունավետությամբ դիսպերսիայի տեխնիկան, որը կարող է մշակել նանոնյութեր և, հնարավոր է, բարձր մածուցիկություն, բացարձակապես պահանջվում է: Զոնդի տիպի ուլտրաձայնային սարքերը բարձր արդյունավետությամբ ցրման մեթոդ են, որը կարող է հուսալիորեն և արդյունավետ կերպով մշակել նանոնյութերը նույնիսկ բարձր պինդ բեռների դեպքում:

Ինչու՞ է Sonication-ը նանոնյութերի վերամշակման գերակա տեխնիկան:

Երբ ցրման և խառնման այլ մեթոդներ, ինչպիսիք են բարձր կտրվածքով խառնիչները, բշտիկային աղացները կամ բարձր ճնշման հոմոգենիզատորները հասնում են իրենց սահմաններին, ուլտրաձայնայինացումն այն մեթոդն է, որն առանձնանում է միկրոն և նանո մասնիկների մշակման համար:
Բարձր հզորության ուլտրաձայնը և ուլտրաձայնային եղանակով առաջացած ակուստիկ կավիտացիան ապահովում են էներգիայի եզակի պայմաններ և էներգիայի ծայրահեղ խտություն, որը թույլ է տալիս ապաագլոմերացնել կամ շերտազատել նանոնյութերը, ֆունկցիոնալացնել դրանք, սինթեզել նանոկառուցվածքները ներքևից վեր գործընթացներում և պատրաստել բարձր արդյունավետության նանոկոմպոզիտներ:
Քանի որ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս ճշգրիտ վերահսկել ուլտրաձայնային մշակման ամենակարևոր պարամետրերը, ինչպիսիք են ինտենսիվությունը (Ws/mL), ամպլիտուդը (μm), ջերմաստիճանը (ºC/ºF) և ճնշումը (բար), մշակման պայմանները կարող են անհատապես կարգավորվել օպտիմալ պարամետրերի համար: յուրաքանչյուր նյութ և գործընթաց: Այսպիսով, ուլտրաձայնային ցրիչները շատ բազմակողմանի են և կարող են օգտագործվել բազմաթիվ ծրագրերի համար, օրինակ՝ CNT դիսպերսիա, գրաֆենի շերտավորում, միջուկային կեղևի մասնիկների սոնոքիմիական սինթեզ կամ սիլիցիումի նանոմասնիկների ֆունկցիոնալացում:

SEM միկրոգրաֆիկները sonochemically պատրաստված Na0.44MnO2-ի կալցինացիայի միջոցով 900°C-ում 2 ժամ:
(Ուսումնասիրություն և նկար՝ ©Shinde et al., 2019)

Իմացեք ավելին Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերի մասին՝ մարտկոցների արտադրության մեջ նանոնյութերի մշակման համար:

Ստորև կարող եք գտնել նանոմյութերի մշակման ուլտրաձայնային եղանակով հիմնված տարբեր կիրառություններ.

Նանոկոմպոզիտների ուլտրաձայնային սինթեզ

Գրաֆեն-SnO-ի ուլտրաձայնային սինթեզ₂ նանոկոմպոզիտ: Հետազոտական թիմը Deosakar et al. (2013) մշակել է ուլտրաձայնային օգնությամբ գրաֆեն-SnO2 նանոկոմպոզիտ պատրաստելու երթուղի: Նրանք ուսումնասիրել են կավիտացիոն էֆեկտները, որոնք առաջանում են բարձր հզորության ուլտրաձայնի միջոցով գրաֆեն-SnO2 կոմպոզիտի սինթեզի ժամանակ: Sonication-ի համար նրանք օգտագործել են Hielscher Ultrasonics սարքը։ Արդյունքները ցույց են տալիս SnO-ի ուլտրաձայնային բարելավված նուրբ և միատեսակ բեռնում₂ գրաֆենի նանոթերթերի վրա գրաֆենի օքսիդի և SnCl-ի միջև օքսիդացում-վերականգնողական ռեակցիայի միջոցով₂· 2Հ₂O համեմատած սովորական սինթեզի մեթոդների հետ:

Գծապատկեր, որը ցույց է տալիս գրաֆենի օքսիդի և SnO-ի ձևավորման գործընթացը₂-գրաֆենի նանոկոմպոզիտ.
(Ուսումնասիրություն և նկարներ. ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂Գրաֆենի նանոկոմպոզիտը հաջողությամբ պատրաստվել է նոր և արդյունավետ ուլտրաձայնային օգնությամբ լուծույթի վրա հիմնված քիմիական սինթեզի ուղու միջոցով, և գրաֆենի օքսիդը կրճատվել է SnCl-ով:₂ HCl-ի առկայության դեպքում գրաֆենի թիթեղներին: TEM վերլուծությունը ցույց է տալիս SnO-ի միատեսակ և նուրբ բեռնվածությունը₂ գրաֆենի նանոթերթներում։ Ուլտրաձայնային ճառագայթման կիրառմամբ առաջացած կավիտացիոն էֆեկտները ցույց են տվել, որ ուժեղացնում են SnO2-ի նուրբ և միատեսակ բեռնումը գրաֆենի նանոթերթերի վրա գրաֆենի օքսիդի և SnCl-ի միջև օքսիդացում-վերականգնողական ռեակցիայի ժամանակ:₂· 2Հ₂O. SnO2 նանոմասնիկների (3–5 նմ) ուժեղացված նուրբ և միատեսակ բեռնումը գրաֆենի նանոթերթերի վրա վերագրվում է ուլտրաձայնային ճառագայթման արդյունքում առաջացած կավիտացիոն էֆեկտի ուժեղացված միջուկացման և լուծվող նյութերի փոխանցման հետ: SnO-ի նուրբ և միատեսակ բեռնում₂ Նանոմասնիկները գրաֆենի նանոթերթերի վրա նույնպես հաստատվել են TEM վերլուծությունից: Սինթեզված SnO-ի կիրառումը₂Ցուցադրված է գրաֆենի նանոկոմպոզիտը որպես անոդ նյութ լիթիումի իոնային մարտկոցներում: SnO-ի հզորությունը₂– Գրաֆենի նանոկոմպոզիտային հիմքով Li- մարտկոցը կայուն է մոտ 120 ցիկլ, և մարտկոցը կարող է կրկնել կայուն լիցքավորում-լիցքաթափման ռեակցիա: (Deosakar et al., 2013)

SnO-ի TEM պատկերը₂– գրաֆենի նանո-կոմպոզիտ, պատրաստված սոնոքիմիական մեթոդով: Բարը ցույց է տալիս (A) 10 նմ, (B) 5 նմ-ում:
(Ուսումնասիրություն և նկարներ. ©Deosakar et al., 2013)

Նանոմասնիկների ուլտրաձայնային ցրումը մարտկոցների մեջ

Էլեկտրոդի բաղադրիչների ցրումը. Waser et al. (2011) պատրաստեց էլեկտրոդներ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատով (LiFePO₄) Կլպիրը պարունակում էր LiFePO4 որպես ակտիվ նյութ, ածխածնի սև՝ որպես էլեկտրահաղորդիչ հավելում, որպես կապակցիչ օգտագործվել է N-methylpyrrolidinone (NMP) մեջ լուծված պոլիվինիլիդեն ֆտորիդը: Էլեկտրոդներում AM/CB/PVDF զանգվածային հարաբերակցությունը (չորացնելուց հետո) եղել է 83/8,5/8,5: Կախոցները պատրաստելու համար էլեկտրոդի բոլոր բաղադրիչները խառնվել են NMP-ում ուլտրաձայնային հարիչով (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 րոպե 200 Վտ և 24 կՀց հաճախականությամբ:
Ցածր էլեկտրական հաղորդունակություն և դանդաղ Li-ion դիֆուզիոն LiFePO-ի միաչափ ալիքների երկայնքով₄ կարելի է հաղթահարել LiFePO-ի ներդրմամբ₄ հաղորդիչ մատրիցայում, օրինակ՝ ածխածնի սև: Քանի որ նանո չափի մասնիկները և միջուկի կեղևով մասնիկների կառուցվածքը բարելավում են էլեկտրական հաղորդունակությունը, ուլտրաձայնային ցրման տեխնոլոգիան և միջուկային կեղևի մասնիկների սոնոքիմիական սինթեզը թույլ են տալիս արտադրել բարձրակարգ նանոկոմպոզիտներ մարտկոցների կիրառման համար:

Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատի ցրումը. Հագբերգի հետազոտական թիմը (Hagberg et al., 2018) օգտագործել է ուլտրաձայնային սարք UP100H կառուցվածքային դրական էլեկտրոդի ընթացակարգի համար, որը բաղկացած է լիթիումի երկաթի ֆոսֆատով (LFP) պատված ածխածնային մանրաթելերից: Ածխածնային մանրաթելերը շարունակական, ինքնուրույն կանգնած քարշակներ են, որոնք գործում են որպես ընթացիկ կոլեկտորներ և կապահովեն մեխանիկական կոշտություն և ամրություն: Օպտիմալ աշխատանքի համար մանրաթելերը պատվում են առանձին, օրինակ՝ օգտագործելով էլեկտրոֆորետիկ նստվածք:
Փորձարկվել են LFP-ից, CB-ից և PVDF-ից բաղկացած խառնուրդների քաշի տարբեր հարաբերակցությունները: Այս խառնուրդները պատված էին ածխածնային մանրաթելերի վրա: Քանի որ ծածկույթի լոգանքի կոմպոզիցիաներում անհամասեռ բաշխումը կարող է տարբերվել բուն ծածկույթի բաղադրությունից, տարբերությունը նվազագույնի հասցնելու համար օգտագործվում է խիստ խառնում ուլտրաձայնային եղանակով:
Նրանք նշեցին, որ մասնիկները համեմատաբար լավ են ցրված ամբողջ ծածկույթի վրա, ինչը վերագրվում է մակերևութային ակտիվ նյութի (Triton X-100) օգտագործմանը և էլեկտրոֆորետիկ նստվածքից առաջ ուլտրաձայնային փուլին:

EPD ծածկված ածխածնային մանրաթելերի խաչմերուկի և բարձր խոշորացման SEM պատկերներ: LFP-ի, CB-ի և PVDF-ի խառնուրդը ուլտրաձայնային հոմոգենացված էր՝ օգտագործելով ուլտրաձայնային սարք UP100H. Խոշորացումները՝ ա) 0.8kx, բ) 0.8kx, գ) 1.5kx, դ) 30kx։
(Ուսումնասիրություն և նկար՝ ©Hagberg et al., 2018)

LiNi-ի դիսպերսիա_0.5Մն_1.5Օ₄ կոմպոզիտային կաթոդ նյութ.
Վիդալը և այլք: (2013) ուսումնասիրել է մշակման քայլերի ազդեցությունը, ինչպիսիք են ձայնային ախտահանումը, ճնշումը և նյութի կազմը LiNi-ի համար_0.5Մն_1.5Օ₄կոմպոզիտային կաթոդներ.
Դրական կոմպոզիտային էլեկտրոդներ, որոնք ունեն LiNi_0.5 Մն_1.5O4 սպինելը՝ որպես ակտիվ նյութ, գրաֆիտի և ածխածնի խառնուրդ՝ էլեկտրոդի էլեկտրական հաղորդունակությունը բարձրացնելու համար, և կամ պոլիվինիլդենֆտորիդ (PVDF) կամ PVDF-ի խառնուրդ փոքր քանակությամբ Teflon®-ով (1 wt%) էլեկտրոդի կառուցման համար: Դրանք մշակվել են ժապավենով ձուլելով ալյումինե փայլաթիթեղի վրա՝ որպես ընթացիկ կոլեկցիոներ՝ օգտագործելով բժիշկ շեղբեր տեխնիկան: Բացի այդ, բաղադրիչների խառնուրդները կա՛մ հնչյունավորվել են, կա՛մ ոչ, և վերամշակված էլեկտրոդները սեղմվել են կամ ոչ հետագա սառը սեղմման տակ: Երկու ձևակերպումներ են փորձարկվել.
A-Formulation (առանց Teflon®)՝ 78 wt% LiNi_0.5 Մն_1.5O4; 7,5 wt% ածխածնի սև; 2,5 wt% գրաֆիտ; 12 wt% PVDF
B-ձևակերպում (Teflon®-ով)՝ 78 wt% LiNi0_0.5Մն_1.5O4; 7.5 wt% ածխածնի սև; 2,5 wt% գրաֆիտ; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Երկու դեպքում էլ բաղադրիչները խառնվել և ցրվել են N-methylpyrrolidinone (NMP): LiNi_0.5 Մն_1.5O4 սպինելը (2 գ) մյուս բաղադրիչների հետ նշված տոկոսներով արդեն իսկ ցրվել է 11 մլ NMP-ում: Որոշ կոնկրետ դեպքերում, խառնուրդը 25 րոպե հնչյունավորվել է, այնուհետև 48 ժամ խառնել սենյակային ջերմաստիճանում: Որոշ այլ դեպքերում խառնուրդը պարզապես խառնվել է սենյակային ջերմաստիճանում 48 ժամ, այսինքն՝ առանց ձայնային ախտահանման: The sonication բուժումը նպաստում է միատարր ցրման էլեկտրոդի բաղադրիչների եւ LNMS-էլեկտրոդի ստացված նայում ավելի միատեսակ.
Պատրաստվել և ուսումնասիրվել են բարձր քաշով կոմպոզիտային էլեկտրոդներ՝ մինչև 17 մգ/սմ2, որպես լիթիում-իոնային մարտկոցների դրական էլեկտրոդներ։ Teflon®-ի ավելացումը և ձայնային մշակման կիրառումը հանգեցնում են միատեսակ էլեկտրոդների, որոնք լավ կպչում են ալյումինե փայլաթիթեղին: Երկու պարամետրերն էլ նպաստում են բարձր տեմպերով (5C) արտանետվող հզորության բարելավմանը: Էլեկտրոդի/ալյումինի հավաքների լրացուցիչ սեղմումը զգալիորեն մեծացնում է էլեկտրոդների արագության հնարավորությունները: 5C արագությամբ, 80% -ից մինչև 90% հզորության զգալի պահպանումներ են հայտնաբերվել 3-17 մգ/սմ կշիռներով էլեկտրոդների համար:²իրենց բաղադրության մեջ ունենալով Teflon®, պատրաստվել են դրանց բաղադրիչների խառնուրդների ձայնային լուծույթից հետո և խտացված մինչև 2 տոննա/սմ².
Ամփոփելով, էլեկտրոդները, որոնք ունեն 1 wt% Teflon® իրենց ձևակերպման մեջ, դրանց բաղադրիչների խառնուրդները, որոնք ենթարկվել են ձայնային մշակման, սեղմված 2 տոննա/սմ2 և 2,7-17 մգ/սմ2 կշիռներով, ցույց են տվել ուշագրավ արագության հնարավորություն: Նույնիսկ 5C բարձր հոսանքի դեպքում այս բոլոր էլեկտրոդների համար նորմալացված լիցքաթափման հզորությունը եղել է 80% և 90%: (տես Vidal et al., 2013)

Բարձրորակ ուլտրաձայնային ցրիչներ մարտկոցների արտադրության համար

Hielscher Ultrasonics-ը նախագծում, արտադրում և տարածում է բարձր հզորության, բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքավորում, որն օգտագործվում է կաթոդ, անոդ և էլեկտրոլիտ նյութեր մշակելու համար՝ լիթիում-իոնային մարտկոցներում (LIB), նատրիում-իոնային մարտկոցներում (NIB) և այլն: մարտկոցի բջիջները. Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերը օգտագործվում են սինթեզում նանոկոմպոզիտները, ֆունկցիոնալացնում են նանոմասնիկները և ցրում նանոնյութերը միատարր, կայուն կախոցների մեջ:
Առաջարկելով պորտֆոլիո լաբորատորիայից մինչև ամբողջովին արդյունաբերական մասշտաբի ուլտրաձայնային պրոցեսորներ, Hielscher-ը շուկայի առաջատարն է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային դիսպերսատորների համար: Աշխատելով ավելի քան 30 տարի նանոնյութերի սինթեզի և չափերի կրճատման ոլորտում՝ Hielscher Ultrasonics-ն ունի ուլտրաձայնային նանոմասնիկների մշակման մեծ փորձ և առաջարկում է շուկայում ամենահզոր և հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորները: Գերմանական ճարտարագիտությունը ապահովում է ժամանակակից տեխնոլոգիաներ և կայուն որակ:
Ընդլայնված տեխնոլոգիան, բարձր արդյունավետությունը և բարդ ծրագրակազմը Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը դարձնում են հուսալի աշխատանքային ձիեր ձեր էլեկտրոդների արտադրության գործընթացում: Բոլոր ուլտրաձայնային համակարգերը արտադրվում են գերմանական Teltow-ի գլխավոր գրասենյակում, փորձարկվում են որակի և ամրության համար և այնուհետև բաշխվում են Գերմանիայից ամբողջ աշխարհով մեկ:
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի բարդ ապարատային և խելացի ծրագրակազմը նախատեսված է երաշխավորելու հուսալի աշխատանքը, վերարտադրվող արդյունքները, ինչպես նաև օգտագործողի համար հարմարավետությունը: Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը ամուր և հետևողական են իրենց կատարողականությամբ, ինչը թույլ է տալիս տեղադրել դրանք պահանջկոտ միջավայրերում և աշխատել ծանր աշխատանքային պայմաններում: Գործառնական կարգավորումները կարելի է հեշտությամբ մուտք գործել և հավաքել ինտուիտիվ մենյուի միջոցով, որը կարելի է մուտք գործել թվային գունավոր սենսորային էկրանի և դիտարկիչի հեռակառավարման միջոցով: Հետևաբար, մշակման բոլոր պայմանները, ինչպիսիք են զուտ էներգիան, ընդհանուր էներգիան, ամպլիտուդը, ժամանակը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, ավտոմատ կերպով գրանցվում են ներկառուցված SD քարտի վրա: Սա թույլ է տալիս վերանայել և համեմատել նախորդ ձայնային փորձարկումները և օպտիմալացնել նանոնյութերի և կոմպոզիտների սինթեզը, ֆունկցիոնալացումը և ցրումը առավելագույն արդյունավետությամբ:
Hielscher Ultrasonics համակարգերն օգտագործվում են ամբողջ աշխարհում նանոնյութերի սոնոքիմիական սինթեզի համար և ապացուցված են, որ հուսալի են նանոմասնիկները կայուն կոլոիդային կախույթների մեջ ցրելու համար: Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են շարունակաբար աշխատել բարձր ամպլիտուդներով և կառուցված են 24/7 շահագործման համար: Մինչև 200 մկմ ամպլիտուդները հեշտությամբ կարող են շարունակաբար ստեղծվել ստանդարտ սոնոտրոդներով (ուլտրաձայնային զոնդեր/եղջյուրներ): Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար մատչելի են հարմարեցված ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ:
Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորները սոնոքիմիական սինթեզի, ֆունկցիոնալացման, նանո-կառուցվածքի և դեագլոմերացիայի համար արդեն տեղադրված են ամբողջ աշխարհում առևտրային մասշտաբով: Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ քննարկելու ձեր գործընթացի քայլը, որը ներառում է մարտկոցների արտադրության նանոնյութեր: Մեր փորձառու անձնակազմը ուրախ կլինի ավելի շատ տեղեկություններ հաղորդել բարձրակարգ ցրման արդյունքների, բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային համակարգերի և գնագոյացման մասին:
Ուլտրաձայնային ախտահանման առավելություններով՝ ձեր առաջադեմ էլեկտրոդների և էլեկտրոլիտների արտադրությունը կգերազանցվի արդյունավետությամբ, պարզությամբ և ցածր գնով, համեմատած էլեկտրոդների այլ արտադրողների հետ:

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.