배터리 생산을 위한 전극 재료의 Sonochemical 합성

고성능 배터리 셀 생산에서 나노 구조 재료와 나노 복합 재료는 우수한 전기 전도성, 더 높은 저장 밀도, 고용량 및 신뢰성을 제공하는 중요한 역할을 합니다. 나노 물질의 완전한 기능을 얻기 위해서는 나노 입자를 개별적으로 분산시키거나 박리해야 하며 기능화와 같은 추가 처리 단계가 필요할 수 있습니다. 초음파 나노 공정은 첨단 배터리 생산을 위한 고성능 나노 물질 및 나노 복합체를 생산하는 우수하고 효과적이며 신뢰할 수 있는 기술입니다.

전극 슬러리에서 전기화학적 활성 물질의 초음파 분산

나노 물질은 혁신적인 전극 재료로 사용되어 충전식 배터리의 성능을 크게 향상 시켰습니다. 응집, 응집 및 상 분리를 극복하는 것은 특히 나노 크기의 물질이 관련된 경우 전극 제조를 위한 슬러리 제조에 매우 중요합니다. 나노 물질은 배터리 전극의 활성 표면적을 증가시켜 충전 주기 동안 더 많은 에너지를 흡수하고 전체 에너지 저장 용량을 증가시킬 수 있습니다. 나노 물질의 이점을 최대한 활용하려면 이러한 나노 구조 입자가 얽힘을 풀고 전극 슬러리에서 별도의 입자로 분포해야 합니다. 초음파 분산 기술은 집중 된 고 전단 (sonomechnical) 힘과 초음파 화학 에너지를 제공하여 원자 수준의 혼합 및 나노 크기의 물질의 복합체로 이어집니다.
그래핀, 탄소나노튜브(CNTs), 금속, 희토류 광물 등의 나노입자는 고기능성 전극 소재를 얻기 위해 안정적인 슬러리에 균일하게 분산되어야 합니다.
예를 들어, 그래핀과 CNT는 배터리 셀 성능을 향상시키는 것으로 잘 알려져 있지만 입자 응집을 극복해야 합니다. 즉, 나노 물질을 처리할 수 있고 점도가 높을 수 있는 고성능 분산 기술이 절대적으로 필요합니다. 프로브 형 초음파는 고성능 분산 방법으로, 높은 고체 부하에서도 나노 물질을 안정적이고 효과적으로 처리 할 수 있습니다.

초음파 처리가 나노 물질 가공을위한 우수한 기술 인 이유는 무엇입니까?

고 전단 믹서, 비드 밀 또는 고압 균질화기와 같은 다른 분산 및 혼합 기술이 한계에 도달 할 때 초음파는 미크론 및 나노 입자 가공에서 두드러진 방법입니다.
고출력 초음파와 초음파로 생성된 음향 캐비테이션은 나노 물질을 응집시키지 않거나 박리하고, 기능화하고, 상향식 공정에서 나노 구조를 합성하고, 고성능 나노 복합체를 준비할 수 있는 고유한 에너지 조건과 극한의 에너지 밀도를 제공합니다.
Hielscher 초음파를 사용하면 강도 (Ws / mL), 진폭 (μm), 온도 (ºC / ºF) 및 압력 (bar)과 같은 가장 중요한 초음파 처리 매개 변수를 정밀하게 제어 할 수 있으므로 처리 조건을 각 재료 및 공정에 대한 최적의 설정으로 개별적으로 조정할 수 있습니다. 따라서 초음파 분산기는 매우 다재다능하며 CNT 분산액, 그래 핀 박리, 코어 쉘 입자의 초음파 화학 합성 또는 실리콘 나노 입자의 기능화와 같은 다양한 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

900 ° C에서 2 시간 동안 소성하여 초음파 화학적으로 제조 된 Na0.44MnO2의 SEM 현미경 사진.
(연구 및 사진: ©Shinde et al., 2019)

배터리 제조에서 나노 물질 처리를위한 Hielscher 산업용 초음파에 대해 자세히 알아보십시오!

아래에서 나노 물질 가공의 다양한 초음파 구동 응용 분야를 찾을 수 있습니다.

나노 복합체의 초음파 합성

그래핀-SnO의 초음파 합성₂ 나노 복합체: Deosakar et al. (2013)의 연구팀은 그래핀-SnO2 나노 복합체를 제조하기 위해 초음파 보조 경로를 개발했습니다. 그들은 그래핀-SnO2 복합체의 합성 중 고출력 초음파에 의해 생성되는 캐비테이션 효과를 조사했습니다. 초음파 처리를 위해 그들은 Hielscher 초음파 장치를 사용했습니다. 결과는 초음파로 개선 된 SnO의 미세하고 균일 한 로딩을 보여줍니다₂ 그래핀 산화물과 SnCl 사이의 산화-환원 반응에 의한 그래핀 나노시트에₂·2H₂O, 기존 합성 방법에 비해.

산화 그래핀과 SnO의 형성 과정을 보여주는 차트₂– 그래 핀 나노 복합체.
(연구 및 사진: ©Deosakar et al., 2013)

에스노₂– 그래 핀 나노 복합체는 새롭고 효과적인 초음파 보조 용액 기반 화학 합성 경로를 통해 성공적으로 제조되었으며 그래 핀 산화물은 SnCl에 의해 환원되었습니다.₂ HCl이 있는 그래핀 시트에 TEM 분석은 SnO의 균일하고 미세한 하중을 보여줍니다.₂ 그래핀 나노시트에서. 초음파 조사의 사용으로 인해 생성 된 캐비테이션 효과는 산화 그래핀과 SnCl 사이의 산화-환원 반응 중에 그래 핀 나노 시트에 SnO2의 미세하고 균일 한 로딩을 강화하는 것으로 나타났습니다₂·2H₂O. 환원 된 그래 핀 나노 시트에서 SnO2 나노 입자 (3-5 nm)의 미세하고 균일 한 로딩이 강화되는 것은 초음파 조사에 의해 유도 된 캐비테이션 효과로 인한 향상된 핵 형성 및 용질 전달에 기인합니다. SnO의 미세하고 균일한 로딩₂ 그래핀 나노시트의 나노 입자도 TEM 분석에서 확인되었습니다. 합성된 SnO의 응용₂– 리튬 이온 배터리의 음극 재료로서의 그래핀 나노복합체가 시연됩니다. SnO의 용량₂– 그래 핀 나노 복합체 기반 리튬 배터리는 약 120 사이클 동안 안정적이며 배터리는 안정적인 충방전 반응을 반복 할 수 있습니다. (Deosakar et al., 2013)

SnO의 TEM 이미지₂– 초음파 화학적 방법으로 제조 된 그래 핀 나노 복합체. 막대는 (A) 10nm, (B)에서 5nm를 나타냅니다.
(연구 및 사진: ©Deosakar et al., 2013)

나노 입자를 배터리 슬러리에 초음파 분산

electode 구성 요소의 분산: Waser et al. (2011)는 인산철리튬(LiFePO)으로 전극을 준비했습니다.₄). 슬러리에는 활물질로 LiFePO4, 전기 전도성 첨가제로 카본 블랙, N-메틸피롤리디논(NMP)에 용해된 폴리비닐리덴 플루오라이드가 바인더로 사용되었습니다. 전극에서 AM/CB/PVDF의 질량 비율(건조 후)은 83/8.5/8.5였습니다. 현탁액을 준비하기 위해, 모든 전극 성분을 초음파 교반기(UP200H, Hielscher 초음파)을 200W 및 24kHz에서 2분 동안 누릅니다.
LiFePO의 1차원 채널을 따라 낮은 전기 전도성 및 느린 리튬 이온 확산₄ LiFePO를 내장하여 극복할 수 있습니다.₄ 전도성 매트릭스(예: 카본 블랙). 나노 크기의 입자와 코어-쉘 입자 구조가 전기 전도성을 향상시킴에 따라 초음파 분산 기술과 코어-쉘 입자의 초음파 화학 합성을 통해 배터리 응용 분야를 위한 우수한 나노 복합체를 생산할 수 있습니다.

리튬 철 인산염의 분산: Hagberg의 연구팀(Hagberg et al., 2018)은 초음파기 UP100H 리튬 철 인산염(LFP) 코팅 탄소 섬유로 구성된 구조용 양극 절차용. 탄소 섬유는 집전체 역할을 하는 연속적인 독립형 견인차이며 기계적 강성과 강도를 제공합니다. 최적의 성능을 위해 섬유는 개별적으로 코팅됩니다(예: 전기영동 증착 사용).
LFP, CB 및 PVDF로 구성된 혼합물의 다양한 중량 비율을 테스트했습니다. 이 혼합물은 탄소 섬유에 코팅되었습니다. 코팅 배스 조성물의 불균일 한 분포는 코팅 자체의 조성과 다를 수 있기 때문에, 차이를 최소화하기 위해 초음파에 의한 엄격한 교반이 사용됩니다.
그들은 입자가 코팅 전체에 상대적으로 잘 분산되어 있으며, 이는 계면 활성제 (Triton X-100)의 사용과 전기 영동 증착 전의 초음파 처리 단계에 기인한다고 지적했습니다.

EPD 코팅 탄소 섬유의 단면 및 고배율 SEM 이미지. LFP, CB 및 PVDF의 혼합물을 사용하여 초음파로 균질화하였다. 초음파기 UP100H. 배율 : a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(연구 및 사진: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi의 분산_0.5미네소타_1.5O₄ 복합 음극 재료:
Vidal et al. (2013)은 LiNi에 대한 초음파 처리, 압력 및 재료 조성과 같은 처리 단계의 영향을 조사했습니다_0.5미네소타_1.5O₄복합 음극.
LiNi를 갖는 양극 복합 전극_0.5 미네소타_1.5활물질로서의 O4 스피넬, 전극 전기 전도도를 높이기 위한 흑연과 카본 블랙의 혼합물, 폴리불화비닐덴오라이드(PVDF) 또는 전극을 구축하기 위한 소량의 테프론®(1wt%)과 PVDF의 혼합물. 그들은 닥터 블레이드 기술을 사용하여 알루미늄 호일에 테이프 주조로 집전체로 처리되었습니다. 또한, 구성 요소 혼합물은 초음파 처리되거나 그렇지 않았으며, 처리 된 전극은 후속 냉간 압착하에 압축되거나 압축되지 않았습니다. 두 가지 제형이 테스트되었습니다.
A-제형(테프론® 제외): 78wt% LiNi_0.5 미네소타_1.5영형4; 7.5 wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 12wt% PVDF
B-제형(테프론® 포함): 78wt% LiNi0_0.5미네소타_1.5영형4; 7.5wt% 카본 블랙; 2.5 wt% 흑연; 11 중량% PVDF; 1 wt% 테프론®
두 경우 모두에서, 성분을 N-메틸피롤리디논(NMP)에 혼합 및 분산시켰다. 리니_0.5 미네소타_1.5O4 스피넬 (2g)은 이미 설정된 언급 된 비율의 다른 성분과 함께 NMP 11ml에 분산시켰다. 일부 특별한 경우에, 혼합물을 25 분 동안 초음파 처리 한 다음 실온에서 48 시간 동안 교반하였다. 다른 일부에서는, 혼합물을 실온에서 48 시간 동안, 즉 어떤 초음파 처리없이 교반하였다. 초음파 처리는 전극 성분의 균일한 분산을 촉진하고 얻어진 LNMS 전극은 더 균일하게 보입니다.
최대 17mg/cm2의 높은 무게를 가진 복합 전극을 리튬 이온 배터리용 양극으로 준비하고 연구했습니다. 테프론®을 추가하고 초음파 처리를 적용하면 알루미늄 호일에 잘 접착되는 균일 한 전극이 생성됩니다. 두 매개변수 모두 높은 속도(5C)로 배수되는 용량을 개선하는 데 기여합니다. 전극/알루미늄 어셈블리의 추가 다짐은 전극 속도 기능을 크게 향상시킵니다. 5C 속도에서 무게가 3-17mg/cm 범위인 전극에 대해 80%에서 90% 사이의 놀라운 용량 유지가 발견됩니다², 그들의 제형에 테프론®을 가지고, 구성 성분 혼합물의 초음파 처리 후에 준비되고 2 톤 / cm 미만으로 압축됩니다².
요약하면, 제형에 1 wt % 테프론®을 함유 한 전극, 2 톤 / cm2로 압축 및 2.7-17 mg / cm2 범위의 중량으로 초음파 처리 된 구성 성분 혼합물은 놀라운 속도 능력을 보여주었습니다. 5C의 고전류에서도 정규화 된 방전 용량은 이러한 모든 전극에 대해 80 %에서 90 % 사이였습니다. (Vidal et al., 2013 참조)

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 고출력, 고성능 초음파 장비를 설계, 제조 및 유통합니다. Hielscher 초음파 시스템은 나노 복합 재료를 합성하고, 나노 입자를 기능화하고, 나노 물질을 균질하고 안정적인 현탁액으로 분산시키는 데 사용됩니다.
실험실에서 완전 산업 규모의 초음파 프로세서에 이르기까지 포트폴리오를 제공하는 Hielscher는 고성능 초음파 분산기 시장의 선두 주자입니다. 나노 물질 합성 및 크기 감소 분야에서 30 년 이상 일해 온 Hielscher 초음파는 초음파 나노 입자 가공에 대한 광범위한 경험을 가지고 있으며 시장에서 가장 강력하고 신뢰할 수있는 초음파 프로세서를 제공합니다. 독일 엔지니어링은 최첨단 기술과 견고한 품질을 제공합니다.
고급 기술, 고성능 및 정교한 소프트웨어는 Hielscher 초음파를 전극 제조 공정에서 신뢰할 수있는 작업마로 바꿉니다. 모든 초음파 시스템은 독일 Teltow에 있는 본사에서 제조되고 품질 및 견고성 테스트를 거친 후 독일에서 전 세계에 유통됩니다.
Hielscher 초음파의 정교한 하드웨어 및 스마트 소프트웨어는 안정적인 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. Hielscher 초음파기는 견고하고 성능이 일관되어 까다로운 환경에 설치하고 무거운 조건에서 작동 할 수 있습니다. 작동 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 다이얼을 돌릴 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 원격 제어를 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전의 초음파 처리 실행을 수정 및 비교하고 나노 물질 및 복합 물질의 합성, 기능화 및 분산을 최고 효율로 최적화 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 나노 물질의 초음파 화학 합성에 전 세계적으로 사용되며 나노 입자를 안정적인 콜로이드 현탁액으로 분산시키는 데 신뢰할 수있는 것으로 입증되었습니다. Hielscher 산업용 초음파기는 지속적으로 높은 진폭을 실행할 수 있으며 24/7 작동을 위해 제작되었습니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 소노트로드(초음파 프로브/혼)를 사용하여 쉽게 연속적으로 생성할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
초음파 화학 합성, 기능화, 나노 구조화 및 응집 해제를위한 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 전 세계적으로 상업적 규모로 설치되어 있습니다. 배터리 제조를 위한 나노 물질과 관련된 공정 단계에 대해 논의하려면 지금 저희에게 연락하십시오! 경험이 풍부한 직원이 우수한 분산 결과, 고성능 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 기꺼이 공유 할 것입니다!
초음파의 장점으로, 고급 전극 및 전해질 생산은 다른 전극 제조업체와 비교할 때 효율성, 단순성 및 저렴한 비용면에서 탁월합니다!

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.