電池製造用電極材料の音響化学合成

高性能バッテリーセルの製造では、ナノ構造材料とナノ複合材料が重要な役割を果たし、優れた導電性、より高い貯蔵密度、高容量、および信頼性を提供します。ナノマテリアルの完全な機能を達成するためには、ナノ粒子を個別に分散または剥離する必要があり、官能基化などのさらなる処理ステップが必要になる場合があります。超音波ナノ加工は、高度な電池生産のための高性能ナノ材料および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、二次電池の性能が大幅に向上しました。凝集、凝集、相分離の克服は、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とって重要です。ナノマテリアルは、バッテリー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し、全体的なエネルギー貯蔵容量を増やすことができます。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を脱絡み止め、電極スラリー中に別々の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、集束した高剪断力(ソノメニカル)力と音響化学エネルギーを提供し、ナノサイズの材料の原子レベルの混合と錯体化をもたらします。
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、高機能な電極材料を得るためには、安定なスラリーに均一に分散させる必要があります。
例えば、グラフェンやCNTは電池セルの性能を向上させることが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。これは、ナノ材料、そしておそらく高粘度を処理できる高性能分散技術が絶対に必要とされることを意味します。プローブ型超音波装置は、高性能分散法であり、高固体負荷でもナノ材料を確実かつ効果的に処理することができます。

なぜ超音波処理はナノ材料加工のための優れた技術ですか?

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達したとき、超音波処理はミクロンおよびナノ粒子の処理で際立っている方法です。
高出力超音波および超音波生成音響キャビテーションは、ナノ材料の解凝集または剥離、それらを官能基化、ボトムアッププロセスにおけるナノ構造の合成、および高性能ナノ複合材料の調製を可能にする独自のエネルギー条件および極端なエネルギー密度を提供する。
ヒールシャー超音波装置は、強度(Ws / mL)、振幅(μm)、温度(ºC /ºF)、圧力(bar)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ため、処理条件は、各材料および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、超音波分散器は非常に汎用性が高く、CNT分散、グラフェン剥離、コアシェル粒子の音響化学的合成、またはシリコンナノ粒子の機能化など、多数の用途に使用できます。

音響化学的に調製されたNa0.44MnO2のSEM顕微鏡写真、900°Cで2時間焼成。
(研究と写真:©Shinde et al.、2019)

についてもっと学ぶ ヒールシャー工業用超音波装置 バッテリー製造におけるナノ材料加工用超音波装置!

以下に、ナノ材料加工のさまざまな超音波駆動アプリケーションを示します。

ナノ複合材料の超音波合成

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ナノ複合材料を調製するための超音波支援ルートを開発しました。彼らは、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生成されるキャビテーション効果を調査しました。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、超音波で改善されたSnOの微細で均一なローディングを示しています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上₂・2Hの₂Oは従来の合成法と比較して。

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。
(研究と写真:©Deosakar et al., 2013)

SnO(スノウオー)₂–グラフェンナノコンポジットは、新規で効果的な超音波支援溶液ベースの化学合成ルートを通じて成功裏に調製され、酸化グラフェンはSnClによって還元されました₂ TEM分析は、SnOの均一で微細な負荷を示しています₂ グラフェンナノシートで。超音波照射の使用によって生じるキャビテーション効果は、酸化グラフェンとSnClとの間の酸化還元反応中に、グラフェンナノシート上のSnO2の微細で均一な負荷を強めることが示されています₂・2Hの₂O.還元グラフェンナノシート上のSnO2ナノ粒子(3〜5nm)の微細で均一な負荷の増強は、超音波照射によって誘発されるキャビテーション効果による核形成および溶質移動の増強に起因する。SnOの微細で均一なローディング₂ また、TEM分析により、グラフェンナノシート上のナノ粒子も確認されました。合成されたSnOの応用₂–リチウムイオン電池の負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ます。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ます。 (Deosakar et al., 2013)

SnOのTEM像₂–ソノケミカル法で調製されたグラフェンナノコンポジット。バーは(A)10nm、(B)5nmを示します。
(研究と写真:©Deosakar et al., 2013)

電池スラリーへのナノ粒子の超音波分散

エレクトードコンポーネントの分散: (2011)は、リン酸鉄リチウム(LiFePO₄).スラリーには活物質としてLiFePO4を含有し、導電性添加剤としてカーボンブラックを含有し、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、すべての電極成分をNMPで超音波攪拌機(UP200H、ヒールシャー超音波)200 Wおよび24 kHzで2分間。
LiFePOの1次元チャネルに沿った低い電気伝導率と遅いLiイオン拡散₄ LiFePOを埋め込むことで克服できます₄ 導電性マトリックス、例えばカーボンブラック。ナノサイズの粒子およびコア - シェル粒子構造が電気伝導率を改善するにつれて、超音波分散技術およびコア - シェル粒子の音響化学的合成は、電池用途のための優れたナノ複合材料を製造することを可能にする。

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 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用。炭素繊維は、集電体として機能する連続した自立型牽引であり、機械的な剛性と強度を提供します。最適な性能を得るために、繊維は電気泳動堆積法などを使用して個別にコーティングされます。
LFP、CB、PVDFからなる混合物の異なる重量比が試験されました。これらの混合物は、炭素繊維にコーティングされました。コーティング浴組成物中の不均一な分布は、コーティング自体の組成物と異なる可能性があるため、超音波による厳密な攪拌を使用して差を最小限にすることができる。
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ました。

EPDコーティングされた炭素繊維の断面および高倍率SEM画像。LFP、CBおよびPVDFの混合物を超音波を用いて超音波均質化した 超音波装置 UP100H.倍率:a)0.8kx、b)0.8kx、c)1.5kx、d)30kx。
(研究と写真:©Hagberg et al., 2018)

LiNiの分散_0.5ミネソタ_1.5O₄ 複合カソード材料:
Vidalら(2013)は、LiNiの超音波処理、圧力、材料組成などの処理ステップの影響を調査しました_0.5ミネソタ_1.5O₄複合カソード。
LiNiを有する正極複合電極_0.5 ミネソタ_1.5O4スピネルを活物質として、電極の電気伝導率を高めるためのグラファイトとカーボンブラックのブレンド、および電極を構築するためのポリフッ化ビニルフッ化物(PVDF)またはPVDFと少量のテフロン®(1 wt%)のブレンド。アルミ箔にテープキャストで集電体として、ドクターブレード技術を用いて加工されています。さらに、成分ブレンドは超音波処理されたかどうか、および処理された電極は、その後のコールドプレス下で圧縮されたか、または圧縮されなかった。2つの処方がテストされています。
A-製剤(テフロン®なし):78wt%LiNi_0.5 ミネソタ_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-製剤(テフロン®配合):78wt% LiNi0_0.5ミネソタ_1.5O4;7.5wt%カーボンブラック;2.5 wt%グラファイト;11 wt% PVDF;1wt%テフロン®
いずれの場合も、成分を混合し、N-メチルピロリジノン(NMP)に分散させた。リニ_0.5 ミネソタ_1.5O4スピネル(2g)は、すでに設定した割合の他の成分とともに、11mlのNMPに分散させた。いくつかの特定の場合において、混合物を25分間超音波処理し、次いで室温で48時間撹拌した。他のいくつかのものでは、混合物を室温で48時間、すなわち超音波処理なしで攪拌しただけでした。 超音波処理は、電極成分の均質な分散を促進し、得られるLNMS電極はより均一に見える。
リチウムイオン電池の正極として、最大17mg/cm2の高重量の複合電極を作製し、検討しました。テフロン®の添加および超音波処理の適用は、アルミ箔によく接着された均一な電極をもたらす。どちらのパラメータも、高率(5C)で消耗する容量の改善に貢献します。電極/アルミニウムアセンブリの追加圧縮により、電極レート能力が大幅に向上します。5Cの速度では、3〜17mg / cmの範囲の重量を持つ電極で、80%〜90%の顕著な容量保持が見られます²、それらの配合物にテフロン®を含み、それらの成分ブレンドの超音波処理後に調製され、2トン/ cm未満で圧縮された².
要約すると、その配合物中に1 wt%テフロン®を有する電極、超音波処理を受けた成分ブレンド、2トン/ cm 2で圧縮され、重量が2.7〜17 mg / cm 2の範囲の重量を有する電極は、顕著な速度能力を示した。5Cの大電流でも、正規化された放電容量は、これらすべての電極で80%から90%の間でした。(cf. Vidal et al., 2013)

バッテリー製造用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)、およびその他の電池セルで使用するためのカソード、アノード、および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、販売しています。ヒールシャー超音波システムは、ナノ複合材料を合成し、ナノ粒子を官能基化し、ナノ材料を均質で安定した懸濁液に分散させるために使用されます。
実験室から完全に工業規模の超音波プロセッサまでのポートフォリオを提供する、ヒールシャーは高性能超音波分散器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広範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、高性能で洗練されたソフトウェアは、ヒールシャー超音波装置を電極製造プロセスの信頼性の高い作業馬に変えます。すべての超音波システムは、ドイツのテルトウにある本社で製造され、品質と堅牢性がテストされ、その後、ドイツから世界中に配布されています。
ヒールシャー超音波装置の洗練されたハードウェアとスマートソフトウェアは、信頼性の高い操作、再現性のある結果だけでなく、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装置は堅牢で性能が一貫しているため、要求の厳しい環境にそれらを設置し、ヘビーデューティ条件下でそれらを操作することができます。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザのリモートコントロールを介してアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、ダイヤルすることができます。したがって、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SDカードに自動的に記録されます。これにより、以前のソニケーションランを修正および比較し、ナノ材料および複合材料の合成、官能化、および分散を最高の効率で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、ナノ材料の音響化学的合成のために世界中で使用されており、安定したコロイド懸濁液へのナノ粒子の分散に信頼性があることが証明されています。ヒールシャー工業用超音波装置は、連続的に高振幅を実行することができ、24 / 7操作のために構築されています。最大200μmの振幅は、標準的なソノトロード(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ノトロードが利用可能です。
ソノケミカル合成、機能化、ナノ構造化および解凝集のためのヒールシャー超音波プロセッサは、すでに商業規模で世界中で設置されています。バッテリー製造のためのナノマテリアルを含むプロセスステップについて、今すぐお問い合わせください。私たちの経験豊富なスタッフは、優れた分散結果、高性能超音波システム、および価格に関する詳細情報を共有させていただきます。
超音波処理の利点により、あなたの高度な電極と電解質の生産は、他の電極メーカーと比較した場合、効率、シンプルさ、低コストで優れています!

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。