電池製造用電極材料のソノケミカル合成

高性能電池セルの製造において、ナノ構造材料とナノコンポジットは、優れた電気伝導性、より高い蓄電密度、高い容量および信頼性をもたらす重要な役割を果たします。ナノ材料の機能を十分に発揮させるには、ナノ粒子を個別に分散または剥離する必要があり、機能化などの追加の処理工程が必要になる場合もあります。超音波ナノ処理は、先進的な電池製造向けの高性能ナノ材料とナノコンポジットを製造するための、優れた効果的かつ信頼性の高い技術です。

電極スラリー中の電気化学的活物質の超音波分散

ナノ材料は革新的な電極材料として使用されており、充電式電池の性能を大幅に向上させてきました。電極製造用スラリーの調製では、特にナノサイズの材料を扱う場合、凝集、集合および相分離を克服することが不可欠です。ナノ材料は電池電極の活性表面積を増加させるため、充電サイクル中により多くのエネルギーを吸収でき、全体の蓄電容量を増やすことができます。ナノ材料の利点を十分に得るには、これらのナノ構造粒子の絡み合いを解き、電極スラリー中に独立した粒子として分布させる必要があります。超音波分散技術は、集中的な高せん断力（超音波による機械的な力）とソノケミカルエネルギーを供給し、ナノサイズの材料の原子レベルでの混合と錯体形成をもたらします。
高機能電極材料を得るには、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、金属、希土類鉱物などのナノ粒子を、安定したスラリー中に均一に分散させる必要があります。
例えば、グラフェンとCNTが電池セルの性能を向上させることはよく知られていますが、粒子の凝集を克服する必要があります。つまり、ナノ材料を処理でき、場合によっては高粘度にも対応できる高性能な分散技術が絶対に必要です。プローブ型超音波装置は、固形分濃度が高い場合でもナノ材料を確実かつ効果的に処理できる高性能な分散手法です。

超音波処理がナノ材料処理に優れた技術であるのはなぜですか？

高せん断ミキサー、ビーズミル、高圧ホモジナイザーなど、他の分散・混合技術が限界に達する状況でも、超音波処理はマイクロメートルサイズおよびナノサイズの粒子の処理で際立つ手法です。
高出力超音波と、それによって発生する音響キャビテーションは、独特のエネルギー条件と極めて高いエネルギー密度をもたらします。これにより、ナノ材料の解凝集または剥離、機能化、ボトムアッププロセスによるナノ構造の合成、および高性能ナノコンポジットの調製が可能になります。
Hielscherの超音波装置では、強度（Ws/mL）、振幅（µm）、温度（ºC/ºF）、圧力（bar）など、最も重要な超音波処理パラメーターを精密に制御できるため、材料やプロセスごとに処理条件を最適な設定に個別に調整できます。そのため、超音波分散装置は汎用性が非常に高く、CNTの分散、グラフェンの剥離、コアシェル粒子のソノケミカル合成、シリコンナノ粒子の機能化など、数多くの用途に使用できます。

900°Cで2 h焼成してソノケミカル法で調製したNa0.44MnO2のSEM顕微鏡写真。
（研究および画像：©Shinde et al., 2019）

電池製造におけるナノ材料処理用のHielscher産業用超音波装置について詳しくご覧ください！

以下に、超音波を利用したナノ材料処理のさまざまな用途を紹介します：

ナノコンポジットの超音波合成

グラフェン–SnO₂ ナノコンポジットの超音波合成： Deosakar et al. (2013)の研究チームは、グラフェン–SnO2ナノコンポジットを調製するための超音波支援合成経路を開発しました。グラフェン–SnO2コンポジットの合成中に高出力超音波によって生じるキャビテーション効果を調べました。超音波処理にはHielscher Ultrasonicsの装置を使用しました。その結果、従来の合成法と比較して、超音波により、グラフェンナノシート上へのSnO₂ の微細で均一な担持が促進されることが示されました。この担持は、酸化グラフェンとSnCl₂·2H₂Oの間の酸化–還元反応によるものです。

酸化グラフェンおよびSnO₂–グラフェンナノコンポジットの形成過程を示す図。
（研究および画像：©Deosakar et al., 2013）

SnO₂–グラフェンナノコンポジットは、新規かつ効果的な超音波支援の溶液ベース化学合成経路によって調製に成功しました。また、酸化グラフェンは、HClの存在下でSnCl₂ によってグラフェンシートに還元されました。TEM分析では、グラフェンナノシートへのSnO₂ の均一で微細な担持が示されています。超音波照射によって生じるキャビテーション効果により、グラフェンナノシート上へのSnO2の微細で均一な担持が促進されることが示されています。この担持は、酸化グラフェンとSnCl₂·2H₂Oの間の酸化–還元反応中に起こります。還元されたグラフェンナノシート上へのSnO2ナノ粒子（3–5 nm）の微細で均一な担持が促進されるのは、超音波照射で誘起されたキャビテーション効果によって、核生成と溶質移動が促進されるためです。グラフェンナノシート上へのSnO₂ ナノ粒子の微細で均一な担持は、TEM分析でも確認されました。合成されたSnO₂–グラフェンナノコンポジットのリチウムイオン電池負極材料としての応用が実証されています。SnO₂–グラフェンナノコンポジットを用いたLi電池の容量は約120サイクルにわたり安定しており、電池は安定した充電–放電反応を繰り返すことができました。(Deosakar et al., 2013)

ソノケミカル法で調製したSnO₂–グラフェンナノコンポジットのTEM画像。スケールバーは（A）で10nm、（B）で5nmを示します。
（研究および画像：©Deosakar et al., 2013）

電池スラリーへのナノ粒子の超音波分散

電極成分の分散： Waser et al. (2011)は、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄）を用いて電極を調製しました。スラリーには活物質としてLiFePO4、導電性添加剤としてカーボンブラックが含まれ、N-メチルピロリジノン（NMP）に溶解したポリフッ化ビニリデンをバインダーとして使用しました。電極中のAM/CB/PVDFの質量比（乾燥後）は83/8.5/8.5でした。懸濁液を調製するため、すべての電極構成成分をNMP中で超音波撹拌装置（UP200H, Hielscher Ultrasonics）を用い、200 W、24 kHzで2 min混合しました。
LiFePO₄ の一次元チャネルに沿った遅いLiイオン拡散と低い電気伝導性は、LiFePO₄ をカーボンブラックなどの導電性マトリックスに埋め込むことで克服できます。ナノサイズの粒子とコアシェル粒子構造は電気伝導性を改善するため、超音波分散技術とコアシェル粒子のソノケミカル合成によって、電池用途向けの優れたナノコンポジットを製造できます。

リン酸鉄リチウムの分散： Hagbergの研究チーム（Hagberg et al., 2018）は、 超音波装置UP100H を使用し、リン酸鉄リチウム（LFP）で被覆した炭素繊維からなる構造用正極を調製しました。炭素繊維は連続した自立性のある繊維束で、集電体として機能し、機械的な剛性と強度をもたらします。最適な性能を得るため、例えば電気泳動堆積法を用いて繊維を個別に被覆します。
LFP、CB、PVDFからなる混合物について、異なる重量比を試験しました。これらの混合物を炭素繊維に塗布しました。被覆浴内の不均一な分布により、浴の組成が被覆自体の組成と異なる可能性があるため、超音波処理による強力な撹拌を用いて、その差を最小限に抑えます。
研究チームは、被覆全体にわたって粒子が比較的良好に分散していると述べており、これは界面活性剤（Triton X-100）の使用と、電気泳動堆積前の超音波処理工程によるものとしています。

EPDで被覆した炭素繊維の断面および高倍率SEM画像。LFP、CB、PVDFの混合物は、 超音波装置UP100Hを使用して超音波で均質化しました。倍率：a) 0.8kx、b) 0.8kx、c) 1.5kx、d) 30kx。
（研究および画像：©Hagberg et al., 2018）

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ 複合正極材料の分散：
Vidal et al. (2013)は、超音波処理、圧力、材料組成などの処理工程がLiNi_0.5Mn_1.5O₄複合正極に及ぼす影響を調べました。
複合正極は、活物質としてLiNi_0.5 Mn_1.5O4スピネル、電極の電気伝導性を高めるためにグラファイトとカーボンブラックの混合物、電極を形成するためにポリフッ化ビニリデン（PVDF）またはPVDFと少量のTeflon®（1 wt%）の混合物を含みます。これらは、ドクターブレード法を用い、集電体としてのアルミニウム箔上にテープキャスティングして加工しました。さらに、成分混合物には超音波処理を行ったものと行わなかったものがあり、加工した電極には、その後の冷間プレスで圧密したものと圧密しなかったものがありました。次の二つの配合を試験しました：
A配合（Teflon®なし）：78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4；7.5 wt% カーボンブラック；2.5 wt% グラファイト；12 wt% PVDF
B配合（Teflon®あり）：78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4；7.5wt% カーボンブラック；2.5 wt% グラファイト；11 wt% PVDF；1 wt% Teflon®
いずれの場合も、成分をN-メチルピロリジノン（NMP）中で混合・分散しました。LiNi_0.5 Mn_1.5O4スピネル（2g）を、上記の割合で配合した他の成分とともに11 mlのNMP中に分散しました。一部のケースでは、混合物を25 min超音波処理した後、室温で48 h撹拌しました。他のケースでは、混合物を室温で48 h撹拌するだけで、超音波処理は行いませんでした。 超音波処理は電極成分の均一な分散を促進し、得られたLNMS電極はより均一な外観を示します。
最大17mg/cm2という高い重量の複合電極を調製し、リチウムイオン電池の正極として研究しました。Teflon®の添加と超音波処理の適用により、アルミニウム箔に良好に密着した均一な電極が得られます。両方のパラメーターが、高レート（5C）で取り出せる容量の改善に寄与します。電極とアルミニウムを組み合わせたものを追加で圧密すると、電極のレート特性が著しく向上します。5Cのレートで80%–90%という顕著な容量保持率が得られたのは、重量が3–17mg/cm²の範囲にあり、配合にTeflon®を含み、成分混合物を超音波処理した後に調製して2 トン/cm²の圧力で圧密した電極でした。
要約すると、配合に1 wt% Teflon®を含み、成分混合物に超音波処理を施し、2 トン/cm2で圧密した、重量が2.7–17 mg/cm2の範囲の電極は、顕著なレート特性を示しました。5Cという高電流でも、これらすべての電極で正規化放電容量は80%–90%でした。（参照：Vidal et al., 2013）

電池製造用の高性能超音波分散装置

Hielscher Ultrasonicsは、リチウムイオン電池（LIB）、ナトリウムイオン電池（NIB）、その他の電池セルに使用する正極、負極、電解質材料を処理するための、高出力・高性能な超音波装置を設計、製造、販売しています。Hielscherの超音波システムは、ナノコンポジットの合成、ナノ粒子の機能化、ナノ材料の均一で安定した懸濁液への分散に使用されます。
実験室規模から本格的な産業規模までの超音波プロセッサーを取り揃えるHielscherは、高性能超音波分散装置の市場リーダーです。ナノ材料の合成とサイズ縮小の分野で30年以上にわたり活動してきたHielscher Ultrasonicsは、超音波によるナノ粒子処理の豊富な経験を持ち、市場で最も強力かつ信頼性の高い超音波プロセッサーを提供しています。ドイツのエンジニアリングが、最先端の技術と堅牢な品質をもたらします。
先進技術、高性能、洗練されたソフトウェアにより、Hielscherの超音波装置は電極製造工程で頼れる主力装置となります。すべての超音波システムはドイツのTeltowにある本社で製造され、品質と堅牢性の試験を経て、ドイツから世界各地に供給されます。
Hielscherの超音波装置の洗練されたハードウェアとスマートなソフトウェアは、信頼性の高い動作、再現性のある結果、使いやすさを保証するよう設計されています。Hielscherの超音波装置は堅牢で性能が安定しており、厳しい環境への設置や高負荷条件下での運転が可能です。運転設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザーによる遠隔操作で利用できる直感的なメニューから、簡単にアクセスして調整できます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度など、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動記録されます。これにより、過去の超音波処理運転を確認・比較し、ナノ材料およびコンポジットの合成、機能化、分散を最高の効率に最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、ナノ材料のソノケミカル合成に世界中で使用されており、ナノ粒子を安定したコロイド懸濁液に分散させる際の信頼性が実証されています。Hielscherの産業用超音波装置は、高振幅で連続運転でき、24/7運転に対応するよう製造されています。標準ソノトロード（超音波プローブ／ホーン）で、最大200µmの振幅を容易に連続発生させることができます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。
ソノケミカル合成、機能化、ナノ構造化、解凝集用のHielscher超音波プロセッサーは、すでに世界中で商業規模の設備に導入されています。電池製造向けのナノ材料を扱う処理工程について、今すぐお問い合わせください！経験豊富なスタッフが、優れた分散結果、高性能超音波システム、価格について詳しくご案内します！
超音波処理の利点により、お客様の先進的な電極・電解質製造は、他の電極メーカーと比較して効率、簡便性、低コストの面で優れたものとなります！

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています：