Sintesi stereo-chimica di materiali elettrodici per la produzione di batterie

Nella produzione di celle per batterie ad alte prestazioni, i materiali nanostrutturati e i nanocompositi svolgono un ruolo importante fornendo una conduttività elettrica superiore, densità di accumulo più elevate, capacità elevata e affidabilità. Per ottenere tutte le funzionalità dei nanomateriali, le nanoparticelle devono essere disperse o esfoliate individualmente e potrebbero richiedere ulteriori fasi di lavorazione, come la funzionalizzazione. La nanotrasformazione a ultrasuoni è una tecnica superiore, efficace e affidabile per produrre nanomateriali e nanocompositi ad alte prestazioni per la produzione di batterie avanzate.

Dispersione a ultrasuoni di materiali elettrochimicamente attivi in impasti elettrodici

I nanomateriali sono utilizzati come materiali innovativi per elettrodi, che hanno permesso di migliorare notevolmente le prestazioni delle batterie ricaricabili. Il superamento di agglomerazioni, aggregazioni e separazioni di fase è fondamentale per la preparazione di impasti per la produzione di elettrodi, soprattutto quando sono coinvolti materiali di dimensioni nanometriche. I nanomateriali aumentano la superficie attiva degli elettrodi delle batterie, consentendo loro di assorbire più energia durante i cicli di carica e di aumentare la capacità complessiva di accumulo di energia. Per ottenere il massimo vantaggio dai nanomateriali, queste particelle nano-strutturate devono essere disaggregate e distribuite come particelle separate nello slurry dell'elettrodo. La tecnologia di dispersione a ultrasuoni fornisce forze focalizzate ad alto taglio (sonomeccaniche) ed energia sonomica, che portano alla miscelazione a livello atomico e alla complessazione dei materiali di dimensioni nanometriche.
Le nanoparticelle come il grafene, i nanotubi di carbonio (CNT), i metalli e i minerali di terre rare devono essere disperse uniformemente in un impasto stabile per ottenere materiali elettrodici altamente funzionali.
Ad esempio, il grafene e i CNT sono noti per migliorare le prestazioni delle celle delle batterie, ma è necessario superare l'agglomerazione delle particelle. Ciò significa che è assolutamente necessaria una tecnica di dispersione ad alte prestazioni, in grado di trattare nanomateriali e possibilmente ad alta viscosità. Gli ultrasuonatori a sonda sono un metodo di dispersione ad alte prestazioni, in grado di trattare i nanomateriali anche con carichi solidi elevati in modo affidabile ed efficace.

Perché la sonicazione è una tecnica superiore per la lavorazione dei nanomateriali?

Quando le altre tecniche di dispersione e miscelazione, come i miscelatori ad alto taglio, i mulini a perline o gli omogeneizzatori ad alta pressione, raggiungono i loro limiti, l'ultrasuoni è il metodo che si distingue per la lavorazione di micron e nano-particelle.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e la cavitazione acustica generata dagli ultrasuoni forniscono condizioni energetiche uniche e un'estrema densità energetica che consente di deagglomerare o esfoliare i nanomateriali, di funzionalizzarli, di sintetizzare nanostrutture in processi bottom-up e di preparare nanocompositi ad alte prestazioni.
Poiché gli ultrasuonatori Hielscher consentono il controllo preciso dei principali parametri di lavorazione a ultrasuoni, come intensità (Ws/mL), ampiezza (µm), temperatura (ºC/ºF) e pressione (bar), le condizioni di lavorazione possono essere regolate individualmente per ottenere le impostazioni ottimali per ogni materiale e processo. I dispersori a ultrasuoni sono quindi molto versatili e possono essere utilizzati per numerose applicazioni, ad esempio per la dispersione di CNT, l'esfoliazione del grafene, la sintesi stereochimica di particelle con guscio centrale o la funzionalizzazione di nanoparticelle di silicio.

Micrografie SEM di Na0,44MnO2 preparato per via sicochimica mediante calcinazione a 900°C per 2 h.(Studio e immagine: ©Shinde et al., 2019)

Per saperne di più sugli ultrasuoni industriali Hielscher per il trattamento dei nanomateriali nella produzione di batterie!

Di seguito sono riportate varie applicazioni della lavorazione dei nanomateriali condotte con gli ultrasuoni:

Sintesi ad ultrasuoni di nanocompositi

Sintesi ad ultrasuoni di grafene-SnO₂ nanocomposito: Il gruppo di ricerca di Deosakar et al. (2013) ha sviluppato un percorso assistito da ultrasuoni per preparare un nanocomposito grafene-SnO2. Hanno studiato gli effetti cavitazionali generati dagli ultrasuoni ad alta potenza durante la sintesi del composito grafene-SnO2. Per la sonicazione hanno utilizzato un dispositivo Hielscher Ultrasonics. I risultati dimostrano un carico fine e uniforme di SnO₂ su nanoschede di grafene mediante reazione di ossidoriduzione tra ossido di grafene e SnCl₂-2H₂O rispetto ai metodi di sintesi convenzionali.

Grafico che mostra il processo di formazione dell'ossido di grafene e di SnO₂-nanocomposito di grafene.(Studio e immagini: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-Il nanocomposito di grafene è stato preparato con successo attraverso una nuova ed efficace via di sintesi chimica in soluzione assistita da ultrasuoni e l'ossido di grafene è stato ridotto con SnCl₂ ai fogli di grafene in presenza di HCl. L'analisi TEM mostra il caricamento uniforme e fine di SnO₂ in nanoschede di grafene. È stato dimostrato che gli effetti cavitazionali prodotti dall'uso di irradiazioni ultrasoniche intensificano il caricamento fine e uniforme di SnO2 sui nanosheet di grafene durante la reazione di ossido-riduzione tra ossido di grafene e SnCl₂-2H₂O. L'intensificazione del carico fine e uniforme di nanoparticelle di SnO2 (3-5 nm) su nanoschede di grafene ridotte è attribuita alla maggiore nucleazione e al trasferimento di soluto dovuto all'effetto cavitazionale indotto dalle irradiazioni ultrasoniche. Il carico fine e uniforme di SnO₂ nanoparticelle su nanostrati di grafene è stata confermata anche dall'analisi TEM. L'applicazione dello SnO₂-come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio. La capacità di SnO₂-La batteria Li basata su nanocomposito di grafene è stabile per circa 120 cicli e può ripetere una reazione di carica-scarica stabile. (Deosakar et al., 2013)

Immagine TEM di SnO₂-nano-composito di grafene preparato con metodo sonochemico. La barra indica (A) 10 nm, (B) 5 nm.(Studio e immagini: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersione a ultrasuoni di nanoparticelle in impasti di batterie

Dispersione dei componenti dell'elettrodo: Waser et al. (2011) hanno preparato elettrodi con litio ferro fosfato (LiFePO₄). L'impasto conteneva LiFePO4 come materiale attivo, nerofumo come additivo elettricamente conduttivo e fluoruro di polivinilidene disciolto in N-metilpirrolidinone (NMP) come legante. Il rapporto di massa (dopo l'essiccamento) di AM/CB/PVDF negli elettrodi era 83/8,5/8,5. Per preparare le sospensioni, tutti i componenti degli elettrodi sono stati mescolati in NMP con un agitatore a ultrasuoni (UP200H, Hielscher Ultrasonics) per 2 minuti a 200 W e 24 kHz.
Bassa conducibilità elettrica e lenta diffusione degli ioni Li lungo i canali monodimensionali di LiFePO₄ può essere superata incorporando LiFePO₄ in una matrice conduttiva, ad esempio il nerofumo. Poiché le particelle di dimensioni nanometriche e le strutture delle particelle core-shell migliorano la conduttività elettrica, la tecnologia di dispersione a ultrasuoni e la sintesi sonochimica delle particelle core-shell consentono di produrre nanocompositi di qualità superiore per le applicazioni delle batterie.

Dispersione di fosfato di ferro e litio: Il team di ricerca di Hagberg (Hagberg et al., 2018) ha utilizzato il metodo di ultrasuonatore UP100H per la procedura di elettrodo positivo strutturale costituito da fibre di carbonio rivestite di fosfato di ferro e litio (LFP). Le fibre di carbonio sono fili continui e autoportanti che fungono da collettori di corrente e forniscono rigidità e resistenza meccanica. Per ottenere prestazioni ottimali, le fibre sono rivestite singolarmente, ad esempio mediante deposizione elettroforetica.
Sono stati testati diversi rapporti in peso di miscele composte da LFP, CB e PVDF. Queste miscele sono state rivestite su fibre di carbonio. Poiché la distribuzione disomogenea nelle composizioni del bagno di rivestimento potrebbe differire dalla composizione del rivestimento stesso, è stata utilizzata un'agitazione rigorosa con ultrasuoni per minimizzare la differenza.
Hanno notato che le particelle sono relativamente ben disperse in tutto il rivestimento, il che è attribuito all'uso di tensioattivi (Triton X-100) e alla fase di ultrasuoni prima della deposizione elettroforetica.

Immagini SEM in sezione e ad alto ingrandimento delle fibre di carbonio rivestite con EPD. La miscela di LFP, CB e PVDF è stata omogeneizzata a ultrasuoni con l'ausilio di una macchina per la produzione di fibre di carbonio. ultrasuonatore UP100H. Ingrandimenti: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.(Studio e immagine: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersione di LiNi_0.5Mn_1.5O₄ materiale catodico composito:
Vidal et al. (2013) hanno studiato l'influenza di fasi di lavorazione come la sonicazione, la pressione e la composizione del materiale per il LiNi_0.5Mn_1.5O₄catodi compositi.
Elettrodi compositi positivi con LiNi_0.5 Mn_1.5O4 come materiale attivo, una miscela di grafite e nerofumo per aumentare la conducibilità elettrica dell'elettrodo e polivinildenefluoruro (PVDF) o una miscela di PVDF con una piccola quantità di Teflon® (1 wt%) per costruire l'elettrodo. Sono stati lavorati mediante tape casting su un foglio di alluminio come collettore di corrente, utilizzando la tecnica della racla. Inoltre, le miscele di componenti sono state sonicate o meno e gli elettrodi lavorati sono stati compattati o meno con una successiva pressatura a freddo. Sono state testate due formulazioni:
Formulazione A (senza Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 % di nerofumo; 2,5 % di grafite; 12 % di PVDF
Formulazione B (con Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5% di nerofumo; 2,5% di grafite; 11% di PVDF; 1% di Teflon®.
In entrambi i casi, i componenti sono stati miscelati e dispersi in N-metilpirrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5Lo spinello O4 (2 g) insieme agli altri componenti nelle percentuali già stabilite è stato disperso in 11 ml di NMP. In alcuni casi particolari, la miscela è stata sonicata per 25 minuti e poi agitata a temperatura ambiente per 48 ore. In altri casi, la miscela è stata semplicemente agitata a temperatura ambiente per 48 ore, cioè senza alcuna sonicazione. Il trattamento di sonicazione favorisce una dispersione omogenea dei componenti dell'elettrodo e l'elettrodo LNMS ottenuto appare più uniforme.
Sono stati preparati e studiati elettrodi compositi con un peso elevato, fino a 17 mg/cm2, come elettrodi positivi per batterie agli ioni di litio. L'aggiunta di Teflon® e l'applicazione del trattamento di sonicazione portano a elettrodi uniformi e ben aderenti al foglio di alluminio. Entrambi i parametri contribuiscono a migliorare la capacità drenata ad alte velocità (5C). L'ulteriore compattazione dell'insieme elettrodo/alluminio migliora notevolmente le capacità di velocità dell'elettrodo. Alla velocità di 5C, si riscontrano notevoli ritenzioni di capacità tra l'80% e il 90% per elettrodi con pesi compresi tra 3 e 17 mg/cm.²con Teflon® nella formulazione, preparati dopo la sonicazione delle miscele componenti e compattati a 2 tonnellate/cm.².
In sintesi, gli elettrodi con 1 wt% di Teflon® nella loro formulazione, le loro miscele di componenti sottoposte a trattamento di sonicazione, compattati a 2 tonnellate/cm2 e con pesi compresi nell'intervallo 2,7-17 mg/cm2 hanno mostrato una notevole capacità di scarica. Anche alla corrente elevata di 5C, la capacità di scarica normalizzata era compresa tra l'80% e il 90% per tutti questi elettrodi. (cfr. Vidal et al., 2013)

Dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di batterie

Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce apparecchiature a ultrasuoni ad alta potenza e ad alte prestazioni, utilizzate per la lavorazione di materiali catodici, anodici ed elettrolitici da utilizzare nelle batterie agli ioni di litio (LIB), nelle batterie agli ioni di sodio (NIB) e in altre celle per batterie. I sistemi a ultrasuoni Hielscher sono utilizzati per sintetizzare nanocompositi, funzionalizzare nanoparticelle e disperdere nanomateriali in sospensioni omogenee e stabili.
Con un portafoglio che va dai processori a ultrasuoni da laboratorio a quelli su scala industriale, Hielscher è leader di mercato per i dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni. Operando da oltre 30 anni nel campo della sintesi e della riduzione dimensionale dei nanomateriali, Hielscher Ultrasonics vanta una vasta esperienza nella lavorazione ad ultrasuoni delle nanoparticelle e offre i processori ad ultrasuoni più potenti e affidabili del mercato. L'ingegneria tedesca garantisce una tecnologia all'avanguardia e una qualità robusta.
Tecnologia avanzata, prestazioni elevate e software sofisticato fanno degli ultrasonici Hielscher dei cavalli di battaglia affidabili nel vostro processo di produzione degli elettrodi. Tutti i sistemi a ultrasuoni sono prodotti nella sede centrale di Teltow, in Germania, testati per verificarne la qualità e la robustezza e quindi distribuiti dalla Germania in tutto il mondo.
L'hardware sofisticato e il software intelligente degli ultrasonori Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d'uso. Gli ultrasuonatori Hielscher sono robusti e dalle prestazioni costanti, il che consente di installarli in ambienti difficili e di farli funzionare in condizioni di lavoro gravose. Le impostazioni operative sono facilmente accessibili e selezionabili tramite un menu intuitivo, accessibile tramite display digitale a colori touch-display e telecomando browser. Tutte le condizioni di elaborazione, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono automaticamente registrate su una scheda SD integrata. Ciò consente di rivedere e confrontare i cicli di sonicazione precedenti e di ottimizzare la sintesi, la funzionalizzazione e la dispersione di nanomateriali e compositi con la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics sono utilizzati in tutto il mondo per la sintesi sonica di nanomateriali e si sono dimostrati affidabili per la dispersione di nanoparticelle in sospensioni colloidali stabili. Gli ultrasuonatori industriali Hielscher sono in grado di eseguire continuamente ampiezze elevate e sono costruiti per funzionare 24 ore al giorno, 7 giorni su 7. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente generate in modo continuo con sonotrodi standard (sonde ultrasoniche? corna). Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
I processori a ultrasuoni Hielscher per la sintesi, la funzionalizzazione, la nano-strutturazione e la deagglomerazione sono già installati in tutto il mondo su scala commerciale. Contattateci subito per discutere della vostra fase di processo che coinvolge i nanomateriali per la produzione di batterie! Il nostro personale esperto sarà lieto di condividere ulteriori informazioni sui risultati di dispersione superiori, sui sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni e sui prezzi!
Con il vantaggio degli ultrasuoni, la vostra produzione di elettrodi ed elettroliti avanzati eccellerà in efficienza, semplicità e basso costo rispetto ad altri produttori di elettrodi!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: