고성능 배터리 셀의 생산에서 나노 구조 재료 및 나노 복합재료는 우수한 전기 전도도, 높은 저장 밀도, 높은 용량 및 신뢰성을 제공하는 중요한 역할을합니다. 나노 물질의 완전한 기능을 달성하기 위해 나노 입자는 개별적으로 분산되거나 각질을 제거해야 하며 기능화와 같은 추가 처리 단계가 필요할 수 있습니다. 초음파 나노 처리는 고급 배터리 생산을위한 고성능 나노 재료 및 나노 복합체를 생산하는 우수하고 효과적이며 신뢰할 수있는 기술입니다.

전극 슬러리에서 전기 화학 활성 물질의 초음파 분산

나노 물질은 혁신적인 전극 재료로 사용되어 충전식 배터리의 성능이 크게 향상되었습니다. 응집, 응집 및 상 분리를 극복하는 것은 특히 나노 크기의 재료가 관련된 경우 전극 제조를위한 슬러리의 제조에 중요합니다. 나노 물질은 배터리 전극의 활성 표면적을 증가시켜 충전주기 동안 더 많은 에너지를 흡수하고 전체 에너지 저장 용량을 증가시킬 수 있습니다. 나노물질의 완전한 이점을 얻기 위해서, 이들 나노구조화된 입자는 전극 슬러리 내에 분리된 입자로서 탈얽히고 분배되어야 한다. 초음파 분산 기술은 집중적 인 고 전단 (sonomechnical) 힘뿐만 아니라 소노 케미컬 에너지를 제공하여 나노 크기의 재료의 원자 수준 혼합 및 복합체화를 유도합니다.
그래핀, 탄소 나노튜브(CNT), 금속 및 희토류 광물과 같은 나노 입자는 고기능전극 물질을 얻기 위해 안정적인 슬러리로 균일하게 분산되어야 합니다.
예를 들어 그래핀과 CNT는 배터리 셀 성능을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있지만 입자 응집은 극복해야 합니다. 즉, 나노 물질과 높은 점도를 처리할 수 있는 고성능 분산 기술이 절대적으로 필요합니다. 프로브 형 초음파 는 고성능 분산 방법이며, 높은 고체 하중에서도 나노 물질을 안정적으로 효과적으로 처리할 수 있습니다.

왜 초음파는 나노 물질 처리를위한 우수한 기술입니까?

고전믹서, 비드 밀 또는 고압 균질화와 같은 다른 분산 및 혼합 기술이 한계에 도달하면 초음파는 미크로넨 및 나노 입자 처리에 눈에 띄는 방법입니다.
고출력 초음파 및 초음질로 생성된 음향 캐비테이션은 나노 물질을 분해하거나 각질을 제거하고, 기능화하고, 상향식 공정에서 나노 구조를 합성하고, 고성능 나노 복합체를 준비할 수 있는 독특한 에너지 조건과 극한의 에너지 밀도를 제공합니다.
Hielscher 초음파 는 강도 (Ws / mL), 진폭 (μm), 온도 (ºC / ºF) 및 압력 (막대)과 같은 가장 중요한 초음파 처리 매개 변수를 정밀하게 제어 할 수 있기 때문에 처리 조건은 각 재료 및 공정에 대한 최적의 설정으로 개별적으로 조정할 수 있습니다. 따라서 초음파 분산기는 매우 다재다능하며 CNT 분산, 그래핀 각질 제거, 코어 쉘 입자의 초음파 합성 또는 실리콘 나노 입자의 기능화와 같은 수많은 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

초음파 화학적으로 제조 된 SEM 현미경 사진은 2 시간 동안 900 ° C에서 calcination에 의해 Na0.44MnO2를 제조하였다.
(연구 및 사진: ©신드 외, 2019)

배터리 제조에서 나노 물질 가공을위한 Hielscher 산업 초음파 에 대해 자세히 알아보십시오!

아래에서 나노 물질 처리의 다양한 초음파 중심 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다:

나노 복합재료의 초음파 합성

그래 핀-SnO의 초음파 합성₂ 나노 복합체: 데사카머 외(2013)의 연구팀은 그래핀-SnO2 나노복합재를 준비하기 위해 초음질 보조 경로를 개발했다. 그(것)들은 그래 핀-SnO2 복합체의 합성 도중 고전력 초음파에 의해 생성된 cavitation 효력을 조사했습니다. 초음파 처리를 위해, 그들은 Hielscher 초음파 장치를 사용했다. 그 결과 SnO의 매우 향상된 미세하고 균일한 로딩을 보여줍니다.₂ 그래 핀 나노 시트에 의해 산화-산화 와 SnCl 사이 감소 반응₂· 2H₂O종종 합성 방법에 비해.

산화 그래핀과 SnO의 형성 과정을 보여주는 차트₂– 그래 핀 나노 복합.
(연구 및 사진: ©데사카르 등, 2013)

SnO₂– 그래 핀 나노 복합체는 SnCl에 의해 감소된 신규하고 효과적인 초음파 보조 용액 기반 화학 합성 경로 및 그래 핀 산화물을 통해 성공적으로 제조되었습니다.₂ HCl. TEM 분석이 있는 그래 핀 시트에 SnO의 균일하고 미세한 로딩을 보여줍니다.₂ 그래 핀 나노 시트에서. 초음파 조사의 사용으로 인해 생성 된 캐비테이션 효과는 산화 중 그래 핀 나노 시트에 SnO2의 미세하고 균일 한 로딩을 강화하는 것으로 나타났습니다 - 그래 핀 옥사이드와 SnCl 사이의 감소 반응₂· 2H₂O. 감소된 그래핀 나노시트에 대한 SnO2 나노입자(3-5nm)의 강화된 미세및 균일한 로딩은 초음파 조사에 의해 유도된 캐비테이션 효과로 인한 향상된 핵형성 및 솔루트 전달에 기인한다. SnO의 미세하고 균일한 로딩₂ 그래 핀 나노 시트에 나노 입자도 TEM 분석에서 확인되었다. 합성 SnO의 응용 프로그램₂– 리튬 이온 배터리의 양극 재료로서 그래 핀 나노 복합체가 입증된다. SnO 용량₂– 그래핀 나노 복합 기반 리 배터리는 약 120 사이클에 대한 안정적이며 배터리는 안정적인 충전 - 방전 반응을 반복 할 수 있습니다. (데사카르 등, 2013)

SnO의 TEM 이미지₂– 초음파 화학 적 방법에 의해 제조 그래 핀 나노 복합체. 바는 (A) 10nm, (B)에서 5nm로 나타냅니다.
(연구 및 사진: ©데사카르 등, 2013)

나노 입자의 초음파 분산을 배터리 슬러리에

일렉트로코 구성 요소의 분산: 와서 외(2011) 리튬 철 인산염(LiFePO)으로 전극을 준비했습니다.₄). 슬러리는 LiFePO4를 활성 물질로 포함시켰으며, 전기 전도성 첨가제로서 카본 블랙, N-메틸피로이드롤리디네(NMP)에 용해된 폴리비닐리덴 불소가 바인더로 사용되었다. 전극에서 AM/CB/PVDF의 질량 비율(건조 후)은 83/8.5/8.5였다. 현탁액을 준비하기 위해 모든 전극 성분이 NMP에서 초음파 교반기와 혼합되었습니다(UP200H, 힐셔 초음파) 200 W 및 24 kHz에서 2 분 동안.
LiFePO의 1차원 채널을 따라 낮은 전기 전도도 및 느린 리온 확산₄ LiFePO를 포함시켜 극복할 수 있습니다.₄ 전도성 매트릭스(예: 카본 블랙)에서. 나노 크기의 입자와 코어 쉘 입자 구조가 전기 전도도를 향상함에 따라 초음파 분산 기술과 코어 쉘 입자의 초음파 분산 기술 및 초음파 합성을 통해 배터리 응용 제품을 위한 우수한 나노 복합체를 생산할 수 있습니다.

리튬 철 인산염의 분산: Hagberg의 연구 팀 (Hagberg 등, 2018)는 초음파 검사기 UP100H 리튬 철 인산염 (LFP) 코팅 탄소 섬유로 구성된 구조적 양성 전극의 절차를 위해. 탄소 섬유는 현재 수집가역할을 하는 연속적이고 자립적인 견인이며 기계적 강성과 강도를 제공합니다. 최적의 성능을 위해 섬유는 전기 전구 증착과 같은 개별적으로 코팅됩니다.
LFP, CB 및 PVDF로 구성된 혼합물의 상이한 중량 비를 테스트하였다. 이 혼합물은 탄소 섬유에 코팅되었다. 코팅 목욕 조성물의 불균성 분포는 코팅 자체의 조성과 다를 수 있기 때문에 초음파에 의한 엄격한 교반이 차이를 최소화하는 데 사용됩니다.
그들은 입자가 전기 전지 증착 전에 계면활성제(Triton X-100)와 초음파 증착의 사용에 기인하는 코팅 전체에 걸쳐 상대적으로 잘 분산되어 있음을 지적했다.

EPD 코팅 탄소 섬유의 단면 및 높은 배율 SEM 이미지. LFP, CB 및 PVDF의 혼합물은 초음파균화되어 초음파 검사기 UP100H. 배율: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(연구 및 사진: ©Hagberg 외, 2018)

LiNi의 분산_0.5미네소타_1.5영형₄ 복합 음극 재료:
Vidal et al. (2013)는 LiNi용 초음파 처리, 압력 및 재료 조성과 같은 처리 단계의 영향을 조사했습니다._0.5미네소타_1.5영형₄복합 음극.
LiNi를 갖는 양수 복합 전극_0.5 미네소타_1.5O4 스피넬은 활성 물질로서, 전극 전기 전도도를 증가시키고 폴리 비닐데네플루오라이드(PVDF) 또는 소량의 테플론®(1wt%)을 가진 PVDF의 블렌드를 증가시켜 전극을 구축하기 위한 흑연과 카본 블랙의 혼합이다. 그들은 의사 블레이드 기술을 사용하여 현재 수집가로서 알루미늄 호일에 테이프 캐스팅에 의해 처리되었습니다. 또한, 부품 블렌드는 초음파 처리여부였으며, 처리된 전극은 압축되었거나 후속 냉간 압착 하에 있지 않았다. 두 가지 제형이 테스트되었습니다.
A-제형 (테플론® 제외): 78 wt% LiNi_0.5 미네소타_1.5O4; 7.5 wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 12 wt% PVDF
B-제형(테플론® 있음): 78wt% LiNi0_0.5미네소타_1.5O4; 7.5wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 11 wt% PVDF; 1 wt% 테플론®
두 경우 모두, 성분은 N-메틸피롤리디네(NMP)에서 혼합및 분산되었다. 리니 (주)_0.5 미네소타_1.5O4 스피넬(2g)은 이미 설정된 다른 성분들과 함께 NMP11 ml로 분산되었다. 어떤 특정 한 경우에, 혼합물은 25 분 동안 초음파 처리 한 다음 48 시간 동안 실온에서 교반했다. 어떤 다른 사람에, 혼합물은 단지 48 시간, 즉 어떤 초음파 처리없이 실온에서 교반되었다. 초음파 처리는 전극 성분의 균일한 분산을 촉진하고 얻은 LNMS 전극은 더 균일해 보입니다.
최고 17mg/cm2의 고중량 복합 전극을 리튬 이온 배터리의 양극으로 제조및 연구하였다. 테플론®의 첨가와 초음파 처리의 적용은 알루미늄 호일에 잘 부착된 균일한 전극으로 이어집니다. 두 매개 변수 모두 높은 속도(5C)로 배출되는 용량을 개선하는 데 기여합니다. 전극/알루미늄 어셈블리의 추가 압축은 전극 속도 기능을 현저하게 향상시킵니다. 5C 속도에서, 사이 놀라운 용량 보존 80% 그리고 90% 범위에서 무게와 전극에 대 한 발견 된다 3-17 mg/cm²테플론®을 제형에 넣고, 부품 블렌드의 초음파 처리 후 준비되고 2톤/cm 미만으로 압축².
요약하자면, 전극은 제형에 1wt% 테플론®을 갖는, 그들의 성분 블렌드는 초음파 처리처리를 실시하여 2톤/cm2로 압축되고 범위 내의 무게2.7-17 mg/cm2는 놀라운 속도 능력을 보였다. 5C의 높은 전류에서도 정규화된 방전 용량은 이러한 모든 전극에 대해 80%에서 90% 사이였습니다. (2013년 비달 외)

배터리 생산을 위한 고성능 초음파 분산기

Hielscher 초음파는 리튬 이온 배터리 (LIB), 나트륨 이온 배터리 (NIB) 및 기타 배터리 셀에 사용하기 위해 음극, 양극 및 전해질 재료를 처리하는 데 사용되는 고성능 고성능 초음파 장비를 설계, 제조 및 배포합니다. Hielscher 초음파 시스템은 나노 복합체를 합성하고, 나노 입자를 기능화하며, 나노 물질을 균일하고 안정적인 현탁액으로 분산시키는 데 사용됩니다.
실험실에서 완전 산업 규모의 초음파 프로세서에 이르는 포트폴리오를 제공하는 Hielscher는 고성능 초음파 분산기시장의 선두 주자입니다. 30년 이상 나노물질 합성 및 크기 감소 분야에서 근무하는 Hielscher 초음파는 초음파 나노 입자 처리에 대한 광범위한 경험을 가지고 있으며 시장에서 가장 강력하고 신뢰할 수있는 초음파 프로세서를 제공합니다. 독일 엔지니어링은 최첨단 기술과 견고한 품질을 제공합니다.
첨단 기술, 고성능 및 정교한 소프트웨어는 Hielscher 초음파 장치를 전극 제조 공정에서 신뢰할 수있는 작업 마로 전환합니다. 모든 초음파 시스템은 독일 텔토우 본사에서 제조되어 품질과 견고성을 테스트한 후 전 세계 독일에서 배포됩니다.
Hielscher 초음파 의 정교한 하드웨어 및 스마트 소프트웨어는 신뢰할 수있는 작동, 재현 가능한 결과뿐만 아니라 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파 장치는 견고하고 일관된 성능으로 까다로운 환경에 설치하고 중부하 작업 조건에서 작동 할 수 있습니다. 운영 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 전화를 걸 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 리모컨을 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 된 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전 초음파 처리 실행을 수정및 비교하고 나노 재료 및 복합재료의 합성, 기능화 및 분산을 최고 효율로 최적화할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 나노 물질의 초음파 합성을 위해 전 세계적으로 사용되며 나노 입자가 안정적인 콜로이드 현탁액으로 분산될 수 있음을 입증했습니다. Hielscher 산업용 초음파 는 지속적으로 높은 진폭을 실행할 수 있으며 24/7 작동을 위해 제작됩니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 sonotrodes (초음파 프로브 / 뿔)로 쉽게 연속하게 생성 될 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다.
초음파 합성, 기능화, 나노 구조화 및 deagglomeration용 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 전 세계적으로 상업적 규모로 설치되어 있습니다. 배터리 제조를 위한 나노 재료와 관련된 공정 단계에 대해 논의하기 위해 지금 저희에게 연락하십시오! 숙련된 직원들은 우수한 분산 결과, 고성능 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 공유하게 되어 기쁩니다!
초음파의 장점으로, 고급 전극 및 전해질 생산은 다른 전극 제조 업체에 비해 효율성, 단순성 및 저렴한 비용에 탁월할 것입니다!

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.