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、ナノ構造材料やナノ複合材料は、優れた電気伝導性、高い蓄電密度、高容量、信頼性を提供する重要な役割を担っている。ナノ材料の完全な機能性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、機能化などのさらなる処理工程が必要になる場合があります。超音波ナノ加工は、高性能電池製造用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、優れた効率的で信頼性の高い技術である。

電極スラリー中の電気化学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ており、その結果、二次電池の性能が大幅に向上した。凝集、凝集、相分離を克服することは、電極製造用スラリーの調製において、特にナノサイズの材料が関与する場合には極めて重要である。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ができる。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を電極スラリー中で分散させる必要があります。超音波分散技術は、集中した高剪断力（ソノメカニカル）と超音波化学エネルギーを提供し、ナノサイズ材料の原子レベルの混合と複合化をもたらします。
高機能電極材料を得るためには、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に均一に分散させる必要がある。
例えば、グラフェンやCNTがバッテリーセルの性能を高めることはよく知られているが、粒子の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、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なのである。プローブ型超音波発生装置は、高固形分負荷でも確実かつ効率的にナノ材料を処理できる高性能分散法である。

なぜソニケーションがナノ材料加工の優れた技術なのか？

高剪断ミキサー、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したとき、超音波処理はミクロン・ナノ粒子処理において傑出した方法となる。
高出力超音波と超音波で発生する音響キャビテーションは、ユニークなエネルギー条件と極めて高いエネルギー密度を提供し、ナノ材料の凝集解除や剥離、機能化、ボトムアッププロセスでのナノ構造の合成、高性能ナノコンポジットの調製を可能にする。
Hielscher社の超音波処理装置は、強度（Ws/mL）、振幅（μm）、温度（ºC/ºF）、圧力（bar）といった最も重要な超音波処理パラメーターを正確に制御できるため、処理条件を材料やプロセスごとに最適な設定に個別に調整することができます。そのため、超音波分散機は汎用性が高く、CNT分散、グラフェン剥離、コアシェル粒子の超音波化学合成、シリコンナノ粒子の機能化など、数多くの用途に使用することができる。

900℃で2時間焼成して超音波化学的に調製したNa0.44MnO2のSEM顕微鏡写真。
(研究・写真：©Shinde et al, 2019）

電池製造におけるナノマテリアル処理用のHielscher工業用超音波発生装置について、詳しくはこちらをご覧ください！

以下に、超音波を利用したナノ材料加工のさまざまなアプリケーションを紹介する：

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（2013年）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ルートを開発した。研究チームは、グラフェン-SnO2複合体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た。超音波処理には、Hielscher Ultrasonics社の装置を使用した。その結果、超音波によってSnO₂ 酸化グラフェンとSnClとの酸化還元反応によるグラフェンナノシート上の₂-2H₂Oを従来の合成法と比較した。

酸化グラフェンとSnOの形成過程を示す図₂-グラフェンナノコンポジット。
(研究および写真：©Deosakar et al.）

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アシスト溶液ベースの化学合成ルートによって調製された。₂ を塩酸存在下でグラフェンシートに添加した。TEM分析によると、SnO₂ をグラフェンナノシートに導入した。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、酸化グラフェンとSnClの酸化還元反応において、グラフェンナノシート上へのSnO2の微細かつ均一な担持が促進されることが示された。₂-2H₂O.還元グラフェンナノシート上へのSnO2ナノ粒子（3-5 nm）の微細かつ均一な担持は、超音波照射による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たためと考えられる。微細かつ均一なSnO₂ 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。合成したSnO₂-グラフェンナノコンポジットをリチウムイオン電池の負極材料として実証した。SnO₂-グラフェンナノコンポジットをベースとしたリチウム電池は、120サイクル程度安定であり、安定した充放電反応を繰り返すことができる（Deosakar et al. (Deosakar et al.）

SnOのTEM像₂-ソノケミカル法で作製したグラフェンナノコンポジット。バーは(A)で10nm、(B)で5nmを示す。
(研究および写真：©Deosakar et al.）

電池スラリーへのナノ粒子の超音波分散

エレクトード成分の分散： Waserら（2011）は、リン酸鉄リチウム（LiFePO₄).スラリーは活物質としてLiFePO4、導電性添加剤としてカーボンブラックを含み、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中で超音波攪拌機(UP200H, Hielscher Ultrasonics)、200W、24kHzで2分間行った。
LiFePOの一次元チャネルを通る低い電気伝導率と遅いリチウムイオン拡散₄ を埋め込むことで克服できる。₄ をカーボンブラックなどの導電性マトリックス中に分散させることができる。ナノサイズ粒子とコアシェル粒子構造は導電性を向上させるため、超音波分散技術とコアシェル粒子の超音波化学合成により、電池用途に優れたナノコンポジットを製造することができます。

リン酸鉄リチウムの分散： Hagbergの研究チーム（Hagberg et al. 超音波発生装置 UP100H リン酸鉄リチウム（LFP）でコーティングされた炭素繊維からなる構造正極の手順について。炭素繊維は連続的で自立したトウであり、集電体として機能し、機械的剛性と強度を提供する。最適な性能を得るために、繊維は、例えば電気泳動堆積法を用いて個別にコーティングされる。
LFP、CB、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。コーティング浴中の不均一な分布は、コーティング自体の組成と異なる可能性があるため、超音波による厳密な攪拌を行い、その差を最小限に抑えた。
彼らは、粒子が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ているが、これは界面活性剤（Triton X-100）の使用と、電気泳動析出の前の超音波処理工程に起因している。

EPDコーティングされた炭素繊維の断面と高倍率SEM像。を用いて、LFP、CB、PVDFの混合物を超音波ホモジナイズした。 超音波発生装置 UP100H.倍率：a) 0.8kx、b) 0.8kx、c) 1.5kx、d) 30kx。
(研究・写真：©Hagberg et al, 2018）

LiNiの分散_0.5ムン_1.5O₄ 複合正極材料：
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た。_0.5ムン_1.5O₄複合カソード。
LiNiを有する正極複合電極_0.5 ムン_1.5O4スピネルを活物質とし、グラファイトとカーボンブラックのブレンドで電極の電気伝導度を高め、ポリビニルデンフルオライド（PVDF）またはPVDFと少量のテフロン®（1wt%）のブレンドで電極を構成した。これらの電極は、ドクターブレード法を用いて集電体としてのアルミニウム箔上にテープキャストすることにより加工された。さらに、成分ブレンドは超音波処理するかしないかを選択し、加工された電極は、その後のコールドプレスで圧縮するかしないかを選択した。つの配合がテストされた：
A配合（テフロン®なし）：78 wt% LiNi_0.5 ムン_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（テフロン®入り）：78wt% LiNi0_0.5ムン_1.5O4; 7.5wt% カーボンブラック; 2.5wt% グラファイト; 11wt% PVDF; 1wt% テフロン
いずれの場合も、成分はN-メチルピロリジノン（NMP）に混合・分散させた。LiNi_0.5 ムン_1.5O4スピネル(2g)を、すでに設定した割合の他の成分と一緒に、11mlのNMPに分散させた。ある特定のケースでは、混合物を25分間超音波処理した後、室温で48時間撹拌した。ある特定のケースでは、混合物を室温で48時間撹拌しただけ、すなわち超音波処理なしで撹拌した。 超音波処理によって電極成分の均一な分散が促進され、得られた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、17mg/cm2までの高重量の複合電極を作製し、研究した。テフロン®の添加と超音波処理の適用により、アルミニウム箔によく接着した均一な電極が得られた。両パラメーターは、高率（5C）で消耗する容量の向上に寄与している。電極とアルミニウムのアセンブリのさらなる圧縮は、電極のレート能力を著しく向上させます。5Cレートでは、3～17mg/cmの重量の電極で80%～90%の顕著な容量維持が見られる。²テフロン® を配合し、各成分のブレンドを超音波処理して調製し、2トン/cm2 で圧縮した。².
まとめると、テフロン®を1wt%配合した電極、超音波処理を施した成分ブレンド電極、2ton/cm2で成形した電極、2.7～17mg/cm2の範囲の重量の電極は、顕著なレート能力を示した。5Cの高電流でも、規格化された放電容量はすべての電極で80%から90%であった。(参照：Vidal et al.）

電池製造用高性能超音波分散機

Hielscher Ultrasonics社は、リチウムイオン電池(LIB)、ナトリウムイオン電池(NIB)、その他の電池セルで使用される正極、負極、電解質材料の処理に使用される高出力、高性能超音波装置の設計、製造、販売を行っています。Hielscher社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ています。
Hielscher社は、ラボ用から工業用までの超音波分散機を提供する、高性能超音波分散機のマーケットリーダーです。30年以上にわたってナノ材料の合成と粒径縮小に取り組んできたHielscher Ultrasonics社は、超音波ナノ粒子加工において豊富な経験を持ち、市場で最もパワフルで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により、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、洗練されたソフトウェアにより、Hielscher社の超音波装置は、電極製造工程における信頼性の高い作業馬となります。すべての超音波システムは、ドイツのテルトウ本社で製造され、品質と堅牢性がテストされた後、ドイツから世界中に販売されます。
Hielscher社の超音波装置は、洗練されたハードウェアとスマートなソフトウェアにより、信頼性の高い操作、再現性の高い結果、使いやすさを保証するように設計されています。Hielscher社の超音波発生装置は、堅牢で安定した性能を持っているため、過酷な環境にも設置でき、高負荷の条件下でも使用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リモコンから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、呼び出すことができます。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、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を修正・比較し、ナノ材料や複合材料の合成、機能化、分散を最高の効率で最適化することができます。
Hielscher社の超音波システムは、ナノ材料の超音波化学合成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。ヒールシャーの工業用超音波装置は、高振幅を連続運転することができ、24時間365日稼働するように設計されています。標準的なソノトロード（超音波プローブ/ホーン）を使用すれば、最大200µmまでの振幅を簡単に連続的に発生させることができます。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。
ソノケミカル合成、機能化、ナノ構造化、脱凝集のためのHielscher超音波プロセッサーは、すでに商業規模で世界中に設置されています。電池製造のためのナノ材料を含むプロセスステップについて、今すぐご相談ください！当社の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、および価格に関する詳細情報を喜んで共有させていただきます！
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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：