Sintesi sono-chimica di materiali per elettrodi per la produzione di batterie

Nella produzione di celle per batterie ad alte prestazioni, i materiali nanostrutturati e i nanocompositi sono fondamentali per una conducibilità elettrica superiore, densità di accumulo più elevate, elevata capacità e affidabilità. Per sfruttare appieno le funzionalità dei nanomateriali, le nanoparticelle devono essere disperse singolarmente o esfoliate e possono richiedere ulteriori fasi di trattamento, come la funzionalizzazione. Il trattamento dei nanomateriali mediante ultrasuoni è una tecnica superiore, efficace e affidabile per produrre nanomateriali e nanocompositi ad alte prestazioni destinati alla produzione avanzata di batterie.

Dispersione a ultrasuoni di materiali elettrochimicamente attivi nelle sospensioni per elettrodi

I nanomateriali vengono utilizzati come materiali innovativi per elettrodi, consentendo un miglioramento significativo delle prestazioni delle batterie ricaricabili. Superare l’agglomerazione, l’aggregazione e la separazione di fase è fondamentale per preparare le sospensioni destinate alla fabbricazione di elettrodi, soprattutto quando si utilizzano 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 energetico. Per sfruttare appieno i vantaggi dei nanomateriali, queste particelle nanostrutturate devono essere districate e distribuite come particelle separate nella sospensione per elettrodi. La tecnologia di dispersione a ultrasuoni fornisce forze concentrate ad alto taglio (sonomeccaniche), oltre a energia sono-chimica, consentendo la miscelazione a livello atomico e la complessazione di materiali di dimensioni nanometriche.
Le nanoparticelle, come il grafene, i nanotubi di carbonio (CNT), i metalli e i minerali delle terre rare, devono essere disperse uniformemente in una sospensione stabile per ottenere materiali per elettrodi altamente funzionali.
Ad esempio, è noto che il grafene e i CNT migliorano le prestazioni delle celle per batterie, ma è necessario superare l’agglomerazione delle particelle. È quindi assolutamente necessaria una tecnica di dispersione ad alte prestazioni, capace di trattare nanomateriali e, se necessario, sospensioni ad alta viscosità. I sonicatori a sonda costituiscono un metodo di dispersione ad alte prestazioni in grado di trattare i nanomateriali in modo affidabile ed efficace anche con elevati carichi di solidi.

Perché la sonicazione è la tecnica superiore per il trattamento dei nanomateriali?

Quando altre tecniche di dispersione e miscelazione, come i miscelatori ad alto taglio, i mulini a sfere o gli omogeneizzatori ad alta pressione, raggiungono i propri limiti, la sonicazione è il metodo che si distingue per il trattamento di microparticelle e nanoparticelle.
Gli ultrasuoni ad alta potenza e la cavitazione acustica generata dagli ultrasuoni forniscono condizioni energetiche uniche e una densità energetica estrema, che consentono di deagglomerare o esfoliare i nanomateriali, funzionalizzarli, sintetizzare nanostrutture mediante processi bottom-up e preparare nanocompositi ad alte prestazioni.
Poiché i sonicatori Hielscher consentono il controllo preciso dei parametri più importanti del trattamento a ultrasuoni, come intensità (Ws/mL), ampiezza (µm), temperatura (ºC/ºF) e pressione (bar), le condizioni di trattamento possono essere regolate individualmente per ottenere le impostazioni ottimali per ogni materiale e processo. I dispersori a ultrasuoni sono quindi estremamente versatili e possono essere utilizzati in numerose applicazioni, ad esempio la dispersione di CNT, l’esfoliazione del grafene, la sintesi sono-chimica di particelle nucleo-guscio o la funzionalizzazione di nanoparticelle di silicio.

Micrografie SEM di Na0.44MnO2 preparato mediante un processo sono-chimico con calcinazione a 900°C per 2 h.
(Studio e immagine: ©Shinde et al., 2019)

Scoprite di più sui sonicatori industriali Hielscher per il trattamento dei nanomateriali nella fabbricazione di batterie!

Di seguito sono illustrate diverse applicazioni del trattamento dei nanomateriali mediante ultrasuoni:

Sintesi a ultrasuoni di nanocompositi

Sintesi a ultrasuoni del nanocomposito grafene–SnO₂ : Il gruppo di ricerca di Deosakar et al. (2013) ha sviluppato un metodo assistito da ultrasuoni per preparare un nanocomposito grafene–SnO2. Ha studiato gli effetti della cavitazione generati dagli ultrasuoni ad alta potenza durante la sintesi del composito grafene–SnO2. Per la sonicazione è stato utilizzato un dispositivo Hielscher Ultrasonics. I risultati dimostrano che gli ultrasuoni migliorano la deposizione fine e uniforme di SnO₂ sui nanofogli di grafene mediante una reazione di ossidoriduzione tra ossido di grafene e SnCl₂·2H₂O rispetto ai metodi di sintesi convenzionali.

Schema che illustra il processo di formazione dell’ossido di grafene e del nanocomposito SnO₂–grafene.
(Studio e immagini: ©Deosakar et al., 2013)

Il nanocomposito SnO₂–grafene è stato preparato con successo mediante un nuovo ed efficace metodo di sintesi chimica in soluzione assistito da ultrasuoni, e l’ossido di grafene è stato ridotto da SnCl₂ a fogli di grafene in presenza di HCl. L’analisi TEM mostra la deposizione uniforme e fine di SnO₂ nei nanofogli di grafene. È stato dimostrato che gli effetti della cavitazione prodotti dall’irradiazione ultrasonica intensificano la deposizione fine e uniforme di SnO2 sui nanofogli di grafene durante la reazione di ossidoriduzione tra ossido di grafene e SnCl₂·2H₂O. La maggiore deposizione fine e uniforme di nanoparticelle di SnO2 (3–5 nm) sui nanofogli di grafene ridotto è attribuita all’aumento della nucleazione e del trasferimento del soluto dovuto all’effetto della cavitazione indotto dall’irradiazione ultrasonica. La deposizione fine e uniforme di nanoparticelle di SnO₂ sui nanofogli di grafene è stata confermata anche dall’analisi TEM. È stata dimostrata l’applicazione del nanocomposito SnO₂–grafene sintetizzato come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio. La capacità della batteria al litio basata sul nanocomposito SnO₂–grafene è stabile per circa 120 cicli e la batteria è stata in grado di ripetere stabilmente la reazione di carica–scarica. (Deosakar et al., 2013)

Immagine TEM del nanocomposito SnO₂–grafene preparato con un metodo sono-chimico. La barra di scala indica 10nm in (A) e 5nm in (B).
(Studio e immagini: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersione a ultrasuoni di nanoparticelle nelle sospensioni per batterie

Dispersione dei componenti degli elettrodi: Waser et al. (2011) hanno preparato elettrodi con fosfato di litio e ferro (LiFePO₄). La sospensione conteneva LiFePO4 come materiale attivo e nero di carbonio come additivo elettricamente conduttivo; come legante è stato utilizzato fluoruro di polivinilidene disciolto in N-metilpirrolidone (NMP). Il rapporto in massa (dopo l’essiccazione) di AM/CB/PVDF negli elettrodi era 83/8,5/8,5. Per preparare le sospensioni, tutti i costituenti degli elettrodi sono stati miscelati in NMP con un agitatore a ultrasuoni (UP200H, Hielscher Ultrasonics) per 2 min a 200 W e 24 kHz.
La bassa conducibilità elettrica e la lenta diffusione degli ioni di litio lungo i canali unidimensionali di LiFePO₄ possono essere superate incorporando LiFePO₄ in una matrice conduttiva, ad esempio nero di carbonio. Poiché le particelle di dimensioni nanometriche e le strutture di particelle nucleo-guscio migliorano la conducibilità elettrica, la tecnologia di dispersione a ultrasuoni e la sintesi sono-chimica di particelle nucleo-guscio consentono di produrre nanocompositi superiori per applicazioni nelle batterie.

Dispersione del fosfato di litio e ferro: Il gruppo di ricerca di Hagberg (Hagberg et al., 2018) ha utilizzato il sonicatore UP100H per la preparazione di un elettrodo positivo strutturale costituito da fibre di carbonio rivestite di fosfato di litio e ferro (LFP). Le fibre di carbonio sono fasci continui e autoportanti che fungono da collettori di corrente e forniscono rigidità e resistenza meccanica. Per ottenere prestazioni ottimali, le fibre vengono rivestite singolarmente, ad esempio mediante deposizione elettroforetica.
Sono stati testati diversi rapporti in peso di miscele costituite da LFP, CB e PVDF. Queste miscele sono state applicate come rivestimento sulle fibre di carbonio. Poiché una distribuzione non omogenea nel bagno di rivestimento può determinare differenze tra la composizione del bagno e quella del rivestimento stesso, viene utilizzata una vigorosa agitazione mediante sonicazione per ridurre al minimo questa differenza.
I ricercatori hanno osservato che le particelle sono relativamente ben disperse in tutto il rivestimento, attribuendo questo risultato all’uso del tensioattivo (Triton X-100) e alla fase di sonicazione precedente alla deposizione elettroforetica.

Immagini SEM in sezione trasversale e ad alto ingrandimento di fibre di carbonio rivestite mediante EPD. La miscela di LFP, CB e PVDF è stata omogeneizzata mediante ultrasuoni utilizzando il sonicatore UP100H. Ingrandimenti: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studio e immagine: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersione del materiale catodico composito LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) hanno studiato l’influenza delle fasi di trattamento, come la sonicazione e la pressione, e della composizione del materiale per catodi compositi LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Gli elettrodi positivi compositi contenevano come materiale attivo lo spinello LiNi_0.5 Mn_1.5O4, una miscela di grafite e nero di carbonio per aumentare la conducibilità elettrica dell’elettrodo e fluoruro di polivinilidene (PVDF) oppure una miscela di PVDF con una piccola quantità di Teflon® (1 wt%) per formare l’elettrodo. Sono stati realizzati mediante colata su nastro su un foglio di alluminio utilizzato come collettore di corrente, con la tecnica doctor blade. Inoltre, le miscele dei componenti sono state sottoposte o meno a sonicazione e gli elettrodi realizzati sono stati compattati o meno mediante successiva pressatura a freddo. Sono state testate due formulazioni:
Formulazione A (senza Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% nero di carbonio; 2,5 wt% grafite; 12 wt% PVDF
Formulazione B (con Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% nero di carbonio; 2,5 wt% grafite; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
In entrambi i casi, i componenti sono stati miscelati e dispersi in N-metilpirrolidone (NMP). Lo spinello LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), insieme agli altri componenti nelle percentuali precedentemente indicate, è stato disperso in 11 ml di NMP. In alcuni casi specifici, la miscela è stata sottoposta a sonicazione per 25 min e quindi agitata a temperatura ambiente per 48 h. In altri casi, la miscela è stata soltanto agitata a temperatura ambiente per 48 h, 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 17mg/cm2, come elettrodi positivi per batterie agli ioni di litio. L’aggiunta di Teflon® e l’applicazione del trattamento di sonicazione producono elettrodi uniformi e ben aderenti al foglio di alluminio. Entrambi i parametri contribuiscono a migliorare la capacità erogata a regimi elevati (5C). Un’ulteriore compattazione degli assemblaggi elettrodo/alluminio migliora notevolmente le prestazioni degli elettrodi ad alti regimi. A un regime di 5C, si riscontrano notevoli valori di mantenimento della capacità, tra 80% e 90%, per elettrodi con pesi nell’intervallo 3–17mg/cm², contenenti Teflon® nella formulazione, preparati dopo la sonicazione delle miscele dei componenti e compattati sotto una pressione di 2 tonnes/cm².
In sintesi, gli elettrodi contenenti 1 wt% di Teflon® nella formulazione, con miscele dei componenti sottoposte a un trattamento di sonicazione, compattati a 2 tonnellate/cm2 e con pesi nell’intervallo 2,7–17 mg/cm2 hanno mostrato notevoli prestazioni ad alti regimi. Anche alla corrente elevata di 5C, la capacità di scarica normalizzata era compresa tra 80% e 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 trattare materiali catodici, anodici ed elettrolitici destinati a batterie agli ioni di litio (LIB), batterie agli ioni di sodio (NIB) e altre celle per batterie. I sistemi a ultrasuoni Hielscher vengono utilizzati per sintetizzare nanocompositi, funzionalizzare nanoparticelle e disperdere nanomateriali in sospensioni omogenee e stabili.
Con una gamma di processori a ultrasuoni che spazia dalla scala di laboratorio a quella completamente industriale, Hielscher è leader di mercato nei dispersori a ultrasuoni ad alte prestazioni. Operando da oltre 30 anni nel campo della sintesi dei nanomateriali e della riduzione dimensionale, Hielscher Ultrasonics vanta un’ampia esperienza nel trattamento a ultrasuoni delle nanoparticelle e offre i processori a ultrasuoni più potenti e affidabili sul mercato. L’ingegneria tedesca garantisce una tecnologia all’avanguardia, qualità e robustezza.
Tecnologia avanzata, alte prestazioni e software sofisticato rendono i sonicatori Hielscher strumenti di lavoro affidabili nel vostro processo di fabbricazione degli elettrodi. Tutti i sistemi a ultrasuoni vengono fabbricati presso la sede centrale di Teltow, in Germania, sottoposti a verifiche di qualità e robustezza e quindi distribuiti dalla Germania in tutto il mondo.
L’hardware sofisticato e il software intelligente dei sonicatori Hielscher sono progettati per garantire un funzionamento affidabile, risultati riproducibili e facilità d’uso. I sonicatori Hielscher sono robusti e offrono prestazioni costanti, consentendone l’installazione in ambienti impegnativi e il funzionamento in condizioni gravose. Le impostazioni operative possono essere facilmente consultate e regolate tramite un menu intuitivo, accessibile mediante un display digitale touch a colori e il controllo remoto via browser. Tutte le condizioni di trattamento, come energia netta, energia totale, ampiezza, tempo, pressione e temperatura, vengono quindi registrate automaticamente su una scheda SD integrata. Ciò consente di riesaminare e confrontare i precedenti cicli di sonicazione e di ottimizzare la sintesi, la funzionalizzazione e la dispersione di nanomateriali e compositi per ottenere la massima efficienza.
I sistemi Hielscher Ultrasonics vengono utilizzati in tutto il mondo per la sintesi sono-chimica di nanomateriali e hanno dimostrato la propria affidabilità nella dispersione di nanoparticelle in sospensioni colloidali stabili. I sonicatori industriali Hielscher possono funzionare continuamente ad ampiezze elevate e sono progettati per il funzionamento 24/7. Con sonotrodi standard (sonde / corni a ultrasuoni) è possibile generare facilmente e in modo continuo ampiezze fino a 200µm. Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
I processori a ultrasuoni Hielscher per sintesi sono-chimica, funzionalizzazione, nanostrutturazione e deagglomerazione sono già installati su scala commerciale in tutto il mondo. Contattateci subito per discutere la fase del vostro processo che prevede l’impiego di nanomateriali nella fabbricazione di batterie! Il nostro personale esperto sarà lieto di fornire ulteriori informazioni sui risultati superiori di dispersione, sui sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni e sui prezzi!
Grazie ai vantaggi della sonicazione, la vostra produzione avanzata di elettrodi ed elettroliti si distinguerà per efficienza, semplicità e costi contenuti rispetto a quella di altri produttori di elettrodi!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: