電池製造用電極材料のソノケミカル合成

高性能バッテリセルの製造において、ナノ構造材料とナノ複合材料は、優れた電気伝導性、高い貯蔵密度、高容量、信頼性を提供する重要な役割を果たします。ナノ材料の機能性をフルに達成するためには、ナノ粒子を個別に分散または剥離する必要があり、機能化などのさらなる処理手順が必要になる可能性があります。超音波ナノ加工は、高性能なナノ材料と高度な電池生産のためのナノ複合材料を製造するための優れた、効果的で信頼性の高い技術です。

電極スラリー中の電気化学的活性材料の超音波分散

ナノ材料は革新的な電極材料として使用され、二次電池の性能が大幅に向上しました。凝集、凝集、相分離を克服することは、特にナノサイズの材料が関与する場合、電極製造用のスラリーの調製に不可欠です。ナノ材料は、電池電極の活性表面積を増加させ、充電サイクル中により多くのエネルギーを吸収し、全体的なエネルギー貯蔵容量を増加させることを可能にする。ナノ材料の利点を最大限に引き出すためには、これらのナノ構造粒子は、もつれを解消し、電極スラリー中に別個の粒子として分布しなければならない。超音波分散技術は、ナノサイズの材料の原子レベルの混合と錯化につながる集中高剪断力(ソノメクニカル)力だけでなく、音響化学エネルギーを提供します。
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は、高機能電極材料を得るために安定なスラリーに均一に分散する必要があります。
例えば、グラフェンとCNTは、電池セルの性能を向上させるためによく知られているが、粒子凝集を克服しなければならない。つまり、ナノ材料を処理できる高性能分散技術、そしておそらく高粘度が必要です。プローブ式超音波処理器は、高固体負荷でもナノ材料を確実かつ効果的に処理できる高性能分散法です。

超音波処理がナノ材料処理の優れた技術である理由

高剪断ミキサー、ビーズミル、高圧ホモジナイザーなどの他の分散および混合技術が限界に至ると、超音波処理はミクロンおよびナノ粒子処理のために際立つ方法です。
高出力超音波と超音波生成音響キャビテーションは、ナノ材料を分解または剥離し、それらを機能化し、ボトムアッププロセスでナノ構造を合成し、高性能ナノコンポジットを調製することを可能にするユニークなエネルギー条件と極端なエネルギー密度を提供します。
ヒールシャー超音波処理器は、強度(Ws/mL)、振幅(μm)、温度(ºC /ºF)および圧力(バー)などの最も重要な超音波処理パラメータの正確な制御を可能にするので、処理条件は、各材料とプロセスに最適な設定に個別に調整することができます。それにより、超音波分散機は、汎用性が高く、例えば、CNT分散、グラフェン剥離、コアシェル粒子の超音波合成またはシリコンナノ粒子の官能化などの多数の用途に使用することができる。

900°Cで2時間焼成することにより、Na0.44MnO2をソノ化学的に調製したSEM顕微鏡写真。
(研究と絵:©シンデら、2019)

バッテリー製造におけるナノ材料処理のためのヒールシャー工業用超音波処理について詳しく知る!

以下では、ナノ材料処理の様々な超音波駆動アプリケーションを見つけることができます:

ナノコンポジットの超音波合成

グラフェン-SnOの超音波合成₂ ナノコンポジット: Deosakarらの研究チーム(2013)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ルートを開発しました。グラフェン-SnO2複合材料の合成中に高出力超音波によって発生するキャビテーション効果を調査した。超音波処理のために、彼らはヒールシャー超音波装置を使用しました。結果は、SnOの超音波改善された微細および均一な負荷を示す₂ 酸化グラフェンとSnClの酸化還元反応によるグラフェンナノシート₂・2H₂従来の合成方法と比較してO。

酸化グラフェンとSnOの形成過程を示すチャート₂– グラフェンナノコンポジット。
(研究・写真:©デカーカーら、2013年)

スノ₂–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溶液ベースの化学合成経路を通じて正常に調製され、酸化グラフェンはSnClによって減少した₂ HClの存在のグラフェンシートに、TEM分析はSnOの均一および細かい負荷を示す₂ グラフェンナノシートで。超音波照射の使用によるキャビテーション効果は、グラフェン酸化とSnClの酸化還元反応中にグラフェンナノシート上のSnO2の微細かつ均一な負荷を強めるために示されている₂・2H₂O.グラフェンナノシートのSnO2ナノ粒子(3~5nm)の微細および均一な負荷が強化されたのは、超音波照射によって誘導されるキャビテーション効果による核形成と溶質伝達の強化に起因する。SnOの細かい、均一な積載₂ グラフェンナノシート上のナノ粒子もTEM分析から確認された。合成SnOの応用₂–リチウムイオン電池の陽極材料としてのグラフェンナノコンポジットが実証されている。SnOの容量₂–グラフェンナノコンポジットベースのリチウム電池は約120サイクル安定しており、電池は安定した充放電反応を繰り返すことができる。 (デカーカーら、2013年)

SnO の TEM イメージ₂–ソノケミカル法により調製したグラフェンナノコンポジット。棒は(A)10nmで、5nmで(B)を示す。
(研究・写真:©デカーカーら、2013年)

ナノ粒子の電池スラリーへの超音波分散

エレクトド成分の分散: Waserら (2011) リン酸鉄リチウムを用いた電極を用意 (LiFePO)₄).活性材料としてLiFePO4を含有したスラリーとしては、導電性添加剤としてカーボンブラック、N-メチルピロリジノーに溶解したフッ化ポリビニリデン(NMP)をバインダーとして用いた。電極中のAM/CB/PVDFの質量比(乾燥後)は83/8.5/8.5であった。懸濁液を調製するために、全ての電極構成成分を超音波攪拌機でNMPに混合した(UP200H、ヒールシャー超音波200 W および 24 kHz で 2 分間。
LiFePOの一次元チャネルに沿った低い電気伝導度および遅い李イオン拡散₄ LiFePOを埋め込むことで克服できる₄ 導電性マトリックス、例えばカーボンブラック。ナノサイズの粒子やコアシェル粒子構造が電気伝導性を向上させると、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り、電池用途に優れたナノコンポジットを生成することができます。

リン酸鉄リチウムの分散: ハグベルクの研究チーム(ハグバーグら、2018)は、 超音波処理器 UP100H リン酸鉄リチウム(LFP)被覆炭素繊維からなる構造正極の手順のために。炭素繊維は連続的で、集電体として機能する自立型の牽引であり、機械的な剛性および強度を提供する。最適な性能を得る場合、繊維は電気泳動堆積を使用して個別にコーティングされます。
LFP、CBおよびPVDFからなる混合物の異なる重量比を試験した。これらの混合物を炭素繊維にコーティングした。コーティング浴組成物における不均一な分布は、コーティング自体の組成物と異なる場合があるため、超音波による厳密な攪拌が差を最小限に抑えるために使用される。
彼らは、粒子が界面活性剤(Triton X-100)の使用と電気泳動堆積前の超音波処理ステップに起因するコーティング全体に比較的よく分散していることを指摘した。

EPDコーティングカーボンファイバーの断面および高倍率SEM画像。LFP、CBおよびPVDFの混合物を超音波で均質化した 超音波処理器 UP100H.拡大: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(研究と写真:©ハグバーグら、2018)

リニの分散_00.5マンガン_1.5年ザ・₄ 複合カソード材料:
Vidal et al. (2013) LiNiの超音波処理、圧力および材料組成などの処理ステップの影響を調査した_00.5マンガン_1.5年ザ・₄複合カソード。
LiNiを有する正の複合電極_00.5 マンガン_1.5年O4スピネルは活物質として、電極電気伝導率を高める黒鉛とカーボンブラックのブレンドであり、ポリビニルデネフッ化物(PVDF)または電極を構築するための少量のテフロン®(1重量%)とPVDFのブレンドのいずれかである。これらは、ドクターブレード技術を使用して、集電体としてアルミ箔にテープ鋳造によって処理されています。さらに、コンポーネントブレンドは超音波処理されるかしないかのいずれかで、処理された電極は圧縮されたか、その後のコールドプレス下では圧縮されなかった。2つの製剤がテストされています:
A製剤(テフロン®なし):78重量%LiNi_00.5 マンガン_1.5年O4;7.5重量%カーボンブラック;2.5重量%グラファイト;12重量% PVDF
B製剤(テフロン®付): 78wt% LiNi0_00.5マンガン_1.5年O4;7.5wt% カーボンブラック;2.5重量%グラファイト;11重量%PVDF;1重量% テフロン®
両方の場合において、成分をN-メチルピロリジニオン(NMP)に混合し、分散させた。リニ_00.5 マンガン_1.5年O4スピネル(2g)は、既に設定されている上記の割合の他の成分と共に、11mlのNMPに分散した。いくつかの特定のケースでは、混合物を25分間超音波処理し、次いで室温で48時間攪拌した。いくつかの他の人では、混合物は、単に48時間、すなわち任意の超音波処理なしで室温で攪拌した。 超音波処理は、電極成分の均質な分散を促進し、得られたLNMS電極はより均一に見える。
17mg/cm2までの高重量の複合電極を作製し、リチウムイオン電池用正極として研究しました。テフロン®の添加と超音波処理処理の適用は、アルミニウム箔によく付着している均一な電極につながります。両方のパラメータは、高いレート(5C)で排出容量を向上させるために貢献します。電極/アルミニウムアセンブリの追加の圧縮は顕著に電極の速度の機能を高める。5Cレートでは、3〜17mg/cmの範囲の重量を持つ電極の80%から90%の間の顕著な容量保持が見つけられる²その製剤中のテフロン®を有し、その成分のブレンドの超音波処理後に調製し、2トン/cmの下で圧縮²。
要約すると、その製剤中に1重量%テフロン®を有する電極は、その成分ブレンドは超音波処理を施し、2トン/cm2で圧縮し、2.7〜17mg/cm2の範囲の重量で顕著な速度能力を示した。5Cの高電流でも、正規化された放電容量は、これらすべての電極に対して80%から90%の間であった。(cf. Vidalら, 2013)

電池生産のための高性能超音波分散機

ヒールシャー超音波は、リチウムイオン電池(LIB)、ナトリウムイオン電池(NIB)、および他の電池セルに使用するための陰極、陽極、電解質材料を処理するために使用される高出力、高性能超音波装置を設計、製造、配布しています。ヒールシャー超音波システムは、ナノコンポジットを合成し、ナノ粒子を機能化し、均質で安定な懸濁液にナノ材料を分散させます。
完全工業規模の超音波プロセッサにラボからポートフォリオを提供し、ヒールシャーは、高性能超音波分散機の市場リーダーです。ナノ材料合成とサイズ縮小の分野で30年以上働いて、ヒールシャー超音波は、超音波ナノ粒子処理の豊富な経験を持っており、市場で最も強力で信頼性の高い超音波プロセッサを提供しています。ドイツのエンジニアリングは、最先端の技術と堅牢な品質を提供します。
高度な技術、高性能および洗練されたソフトウェアはあなたの電極製造プロセスの信頼できる仕事馬にヒールシャーの超音波を回す。すべての超音波システムは、テルトー、ドイツの本社で製造され、品質と堅牢性のためにテストされ、その後、世界中のドイツから配布されています。
ヒールシャー超音波処理器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、信頼性の高い操作、再現可能な結果だけでなく、ユーザーの使いやすさを保証するように設計されています。ヒールシャー超音波処理器は堅牢で一貫した性能を備えており、厳しい環境にインストールし、ヘビーデューティ条件下で動作させることができます。操作の設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザのリモコンを介してアクセスすることができ、直感的なメニューを介して簡単にアクセスし、ダイヤルすることができます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度などのすべての処理条件は、内蔵のSDカードに自動的に記録されます。これにより、以前の超音波処理の実行を修正して比較し、ナノ材料と複合材料の合成、機能化、分散を最高効率に最適化することができます。
ヒールシャー超音波システムは、ナノ材料のソノ化学合成のために世界的に使用され、安定したコロイド懸濁液へのナノ粒子の分散のために信頼性があることが証明されています。ヒールシャー産業超音波処理器は、連続的に高振幅を実行することができ、24時間365日動作のために構築されています。最大200μmの振幅は、標準ソノトロード(超音波プローブ/ホーン)で簡単に連続的に生成することができます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。
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下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：