Sonocheemesch Synthes vun Elektrodematerialie fir d’Batterieproduktioun

Bei der Produktioun vun héichleeschtungsfäege Batteriezelle sinn nanostrukturéiert Materialien an Nanokompositten entscheedend fir eng iwwerleeën elektresch Leetfäegkeet, méi héich Späicherdichten, eng héich Kapazitéit an Zouverlässegkeet. Fir déi voll Funktionalitéit vun Nanomaterialien z’erreechen, mussen Nanopartikelen eenzel dispergéiert oder exfoliéiert ginn a kéinte weider Veraarbechtungsschrëtt wéi eng Funktionaliséierung brauchen. D’Nano-Veraarbechtung mat Ultraschall ass déi iwwerleeën, wierksam an zouverlässeg Technik, fir héichleeschtungsfäeg Nanomaterialien an Nanokompositte fir eng fortgeschratt Batterieproduktioun hierzestellen.

Ultraschalldispergéierung vun elektrocheemesch aktive Materialien an Elektrodesuspensiounen

Nanomaterialie ginn als innovativ Elektrodematerialien agesat, wat zu enger däitlech verbesserter Leeschtung vun nofëllbare Batterië gefouert huet. D’Iwwerwanne vun Agglomeratioun, Aggregatioun a Phasentrennung ass entscheedend fir d’Virbereedung vu Suspensioune fir d’Elektrodeproduktioun, besonnesch wann et ëm Materialien am Nanomoossstaf geet. Nanomaterialie vergréisseren déi aktiv Uewerfläch vu Batterieelektroden, wouduerch dës wärend de Luedezyklen méi Energie ophuelen an hir gesamt Energiespäicherkapazitéit erhéije kënnen. Fir d’Virdeeler vun Nanomaterialie voll auszenotzen, mussen dës nanostrukturéiert Partikelen ausenee geléist an als eenzel Partikelen an der Elektrodesuspensioun verdeelt ginn. D’Ultraschalldispergéierungstechnologie liwwert konzentréiert héich Schéierkräften (sonomechanesch Kräften) souwéi sonocheemesch Energie, wat zu enger Vermëschung op atomarem Niveau an enger Komplexbildung vu Materialien am Nanomoossstaf féiert.
Nanopartikele wéi Graphen, Kuelestoffnanoréier (CNTs), Metaller a Mineralie vu seelenen Äerde mussen eenheetlech an enger stabiller Suspensioun dispergéiert ginn, fir héichfunktionell Elektrodematerialien ze kréien.
Zum Beispill ass bekannt, datt Graphen an CNTs d’Leeschtung vu Batteriezelle verbesseren, mee d’Agglomeratioun vun de Partikele muss iwwerwonne ginn. Dat bedeit, datt eng héichleeschtungsfäeg Dispergéierungstechnik, déi Nanomaterialien an eventuell och héich Viskositéite verschaffe kann, onbedéngt néideg ass. Ultraschallapparater mat Sond sinn déi héichleeschtungsfäeg Dispergéierungsmethod, déi Nanomaterialien och bei héije Feststoffgehalter zouverlässeg a wierksam verschaffe kann.

Firwat ass d’Ultraschallbehandlung déi iwwerleeën Technik fir d’Veraarbechtung vun Nanomaterialien?

Wann aner Dispergéierungs- a Mëschtechnike wéi Mëscher mat héije Schéierkräften, Perlemillen oder Héichdrockhomogenisateuren un hir Grenze stoussen, ass d’Ultraschallbehandlung déi Method, déi sech bei der Veraarbechtung vu Mikro- a Nanopartikelen ervirdeet.
Héichleeschtungsultraschall an déi duerch Ultraschall generéiert akustesch Kavitatioun schafen eenzegaarteg Energiebedéngungen an eng extrem Energiedicht, déi et erméiglechen, Nanomaterialien ze desagglomeréieren oder ze exfoliéieren, se ze funktionaliséieren, Nanostrukturen a Bottom-up-Prozesser ze synthetiséieren an héichleeschtungsfäeg Nanokompositten hierzestellen.
Well d’Ultraschallapparater vun Hielscher eng präzis Kontroll vun de wichtegste Parameteren vun der Ultraschallveraarbechtung wéi Intensitéit (Ws/mL), Amplitüd (µm), Temperatur (ºC/ºF) an Drock (bar) erlaben, kënnen d’Veraarbechtungsbedéngunge fir all Material an all Prozess individuell op optimal Astellungen ofgestëmmt ginn. Doduerch sinn Ultraschalldispergéierer ganz villsäiteg a kënne fir vill Uwendungen agesat ginn, z. B. fir d’Dispergéierung vun CNTs, d’Exfoliatioun vu Graphen, d’sonocheemesch Synthes vu Kär-Schuel-Partikelen oder d’Funktionaliséierung vu Siliziumnanopartikelen.

SEM-Mikroopname vu sonocheemesch hiergestalltem Na0.44MnO2 duerch Kalzinéierung bei 900°C fir 2 h.
(Etüd a Bild: ©Shinde et al., 2019)

Léiert méi iwwer d’industriell Ultraschallapparater vun Hielscher fir d’Veraarbechtung vun Nanomaterialie bei der Batterieproduktioun!

Hei ënnendrënner fannt Dir verschidden Applikatioune vun der Veraarbechtung vun Nanomaterialie mat Ultraschall:

Synthes vun Nanokompositte mat Ultraschall

Ultraschallsynthes vun engem Graphen–SnO₂ -Nanokomposit: D’Fuerschungsekipp vun Deosakar et al. (2013) huet eng ultraschallënnerstëtzt Method entwéckelt, fir e Graphen–SnO2-Nanokomposit hierzestellen. Si hunn d’Kavitatiounseffekter ënnersicht, déi duerch Héichleeschtungsultraschall wärend der Synthes vum Graphen–SnO2-Komposit entstinn. Fir d’Ultraschallbehandlung hu si en Apparat vun Hielscher Ultrasonics benotzt. D’Resultater weisen eng duerch Ultraschall verbessert fein a gläichméisseg Beluedung mat SnO₂ op Graphen-Nanoblieder duerch eng Oxidatiouns–Reduktiounsreaktioun tëscht Graphenoxid a SnCl₂·2H₂O am Verglach zu konventionelle Synthesmethoden.

Diagramm, dat de Bildungsprozess vu Graphenoxid a vum SnO₂–Graphen-Nanokomposit weist.
(Etüd a Biller: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–Graphen-Nanokomposit gouf erfollegräich mat enger neier an effektiver, ultraschallënnerstëtzter cheemescher Synthesmethod op Léisungsbasis hiergestallt, a Graphenoxid gouf duerch SnCl₂ a Presenz vun HCl zu Graphenblieder reduzéiert. D’TEM-Analys weist déi gläichméisseg a fein Beluedung mat SnO₂ a Graphen-Nanoblieder. Et gouf gewisen, datt d’Kavitatiounseffekter, déi duerch d’Ultraschallbestralung entstinn, déi fein a gläichméisseg Beluedung mat SnO2 op Graphen-Nanoblieder wärend der Oxidatiouns–Reduktiounsreaktioun tëscht Graphenoxid a SnCl₂·2H₂O verstäerken. Déi verstäerkt fein a gläichméisseg Beluedung mat SnO2-Nanopartikelen (3–5 nm) op reduzéierte Graphen-Nanoblieder gëtt op déi verbessert Keimbildung an den erhéichten Transport vu opgeléiste Stoffer zeréckgefouert, déi duerch de Kavitatiounseffekt vun der Ultraschallbestralung entstinn. Déi fein a gläichméisseg Beluedung vu Graphen-Nanoblieder mat SnO₂ -Nanopartikele gouf och duerch d’TEM-Analys bestätegt. D’Applikatioun vum synthetiséierte SnO₂–Graphen-Nanokomposit als Anodematerial a Lithiumionebatterië gëtt demonstréiert. D’Kapazitéit vun der Li-Batterie op Basis vum SnO₂–Graphen-Nanokomposit ass fir ongeféier 120 Zykle stabil, an d’Batterie konnt eng stabil Lued–Entluedreaktioun widderhuelen. (Deosakar et al., 2013)

TEM-Bild vum SnO₂–Graphen-Nanokomposit, dee mat enger sonocheemescher Method hiergestallt gouf. De Skalestréch entsprécht bei (A) 10nm, bei (B) 5nm.
(Etüd a Biller: ©Deosakar et al., 2013)

Dispergéierung vun Nanopartikelen a Batteriesuspensioune mat Ultraschall

Dispergéierung vun Elektrodekomponenten: Waser et al. (2011) hunn Elektrode mat Lithiumäisephosphat (LiFePO₄) hiergestallt. D’Suspensioun huet LiFePO4 als aktivt Material a Kueleschwaarz als elektresch leedfäegen Zousaz enthale; a N-Methylpyrrolidinon (NMP) opgeléiste Polyvinylidenfluorid gouf als Bannmëttel benotzt. D’Masseverhältnis (nom Dréchnen) vun AM/CB/PVDF an den Elektrode war 83/8,5/8,5. Fir d’Suspensiounen hierzestellen, goufen all Elektrodebestanddeeler an NMP mat engem Ultraschallréierapparat (UP200H, Hielscher Ultrasonics) fir 2 min bei 200 W a 24 kHz gemëscht.
Eng niddreg elektresch Leedfäegkeet an eng lues Li-Ionendiffusioun laanscht déi eendimensional Kanäl vu LiFePO₄ kënnen duerch d’Abettung vu LiFePO₄ an eng leedfäeg Matrix, z. B. Kueleschwaarz, iwwerwonne ginn. Well Partikelen am Nanoberäich a Kär–Schuel-Partikelstrukturen d’elektresch Leedfäegkeet verbesseren, erlaben d’Ultraschalldispergéierungstechnologie an d’sonocheemesch Synthes vu Kär–Schuel-Partikelen d’Produktioun vun iwwerleeënen Nanokompositte fir Batterieapplikatiounen.

Dispergéierung vu Lithiumäisephosphat: D’Fuerschungsekipp vum Hagberg (Hagberg et al., 2018) huet den Ultraschallapparat UP100H benotzt fir d’Hierstellung vun enger struktureller positiver Elektrod aus Kuelestofffaseren, déi mat Lithiumeisenphosphat (LFP) beschicht sinn. D’Kuelestofffasere si kontinuéierlech, selbsttragend Fasersträng, déi als Stroumsammler déngen a mechanesch Steifegkeet a Festegkeet bidden. Fir eng optimal Leeschtung ginn d’Faseren eenzel beschicht, z. B. duerch elektrophoretesch Oflagerung.
Verschidde Gewiichtsverhältnisser vu Mëschungen aus LFP, CB a PVDF goufe getest. Dës Mëschunge goufen op Kuelestofffaseren opgedroen. Well d’Zesummesetzungen am Beschichtungsbad wéinst enger inhomogener Verdeelung vun der Zesummesetzung an der Beschichtung selwer ofwäiche kéinten, gëtt kräftegt Réieren duerch Ultraschall agesat, fir den Ënnerscheed ze miniméieren.
Si hu festgestallt, datt d’Partikelen an der ganzer Beschichtung relativ gutt dispergéiert sinn, wat op d’Verwendung vun engem Tensid (Triton X-100) an op d’Ultraschallbehandlung virun der elektrophoretescher Oflagerung zeréckgefouert gëtt.

Querschnitt a SEM-Biller mat héijer Vergréisserung vu Kuelestofffaseren, déi duerch EPD beschicht goufen. D’Mëschung aus LFP, CB a PVDF gouf mat Ultraschall homogeniséiert, an zwar mam Ultraschallapparat UP100H. Vergréisserungen: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Etüd a Bild: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersioun vu LiNi_0.5Mn_1.5O₄ -Kompositkathodematerial:
Vidal et al. (2013) hunn den Afloss vu Veraarbechtungsschrëtt wéi Ultraschallbehandlung, Drock a Materialzesummesetzung op LiNi_0.5Mn_1.5O₄-Kompositkathoden ënnersicht.
Déi positiv Kompositelektroden haten LiNi_0.5 Mn_1.5O4-Spinell als aktiivt Material, eng Mëschung aus Grafitt a Kuelestoffruß fir d’Erhéijung vun der elektrescher Leetfäegkeet vun der Elektrod an entweder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder eng Mëschung aus PVDF mat enger klenger Quantitéit Teflon® (1 wt%) fir den Opbau vun der Elektrod. Si goufen duerch Bandgéissen op enger Aluminiumfolie als Stroumsammler mat der Rakeltechnik hiergestallt. Zousätzlech goufen d’Komponentemëschungen entweder mat Ultraschall behandelt oder net, an déi hiergestallt Elektroden goufen entweder duerch uschléissend Kaalpressen verdicht oder net. Zwou Formuléierunge goufe getest:
A-Formuléierung (ouni Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% Kuelestoffruß; 2,5 wt% Grafitt; 12 wt% PVDF
B-Formuléierung (mat Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% Kuelestoffruß; 2,5 wt% Grafitt; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
A béide Fäll goufen d’Komponenten an N-Methylpyrrolidinon (NMP) gemëscht an dispergéiert. LiNi_0.5 Mn_1.5O4-Spinell (2g) gouf zesumme mat den anere Komponenten an de schonn uginnene Prozentsätz an 11 ml NMP dispergéiert. A verschiddene spezifesche Fäll gouf d’Mëschung 25 min laang mat Ultraschall behandelt an duerno 48 h laang bei Raumtemperatur geréiert. An anere Fäll gouf d’Mëschung nëmmen 48 h laang bei Raumtemperatur geréiert, d. h. ouni Ultraschallbehandlung. D’Ultraschallbehandlung fërdert eng homogen Dispersioun vun den Elektrodekomponenten, an déi erhale LNMS-Elektrod gesäit méi eenheetlech aus.
Kompositelektrode mat héijem Flächengewiicht, bis zu 17mg/cm2, goufen hiergestallt an als positiv Elektroden fir Lithiumionebatterien ënnersicht. D’Zousaz vun Teflon® an d’Uwendung vun der Ultraschallbehandlung féieren zu eenheetlechen Elektroden, déi gutt un der Aluminiumfolie haften. Béid Parametere droen dozou bäi, d’Kapazitéit ze verbesseren, déi bei héijen Entluedraten (5C) ofgeruff gëtt. Eng zousätzlech Verdichtung vun den Elektrod/Aluminium-Eenheete verbessert d’Fäegkeet vun den Elektroden, bei héijen Entluedraten Kapazitéit ze liwweren, däitlech. Bei enger Entluedrat vu 5C gëtt eng bemierkenswäert Kapazitéitserhalung tëschent 80% an 90% fir Elektrode mat Flächengewiichter am Beräich vun 3–17mg/cm² festgestallt, déi Teflon® an hirer Formuléierung enthalen, no der Ultraschallbehandlung vun hire Komponentemëschungen hiergestallt a mat 2 Tonnen/cm² verdicht goufen.
Zesummegefaasst hunn Elektroden, déi 1 wt% Teflon® an hirer Formuléierung enthalen, deenen hir Komponentemëschunge mat Ultraschall behandelt goufen, déi mat 2 Tonnen/cm2 verdicht goufen an deenen hir Flächengewiichter am Beräich vun 2,7–17 mg/cm2 louchen, eng bemierkenswäert Fäegkeet gewisen, bei héijen Entluedraten Kapazitéit ze liwweren. Och beim héije Stroum vu 5C louch déi normaliséiert Entluedkapazitéit fir all dës Elektroden tëschent 80% an 90%. (vgl. Vidal et al., 2013)

Héichleeschtungs-Ultraschalldispergéierer fir d’Batterieproduktioun

Hielscher Ultrasonics entwéckelt, produzéiert a verdeelt leeschtungsstaark an héich performant Ultraschallgeräter, déi fir d’Veraarbechtung vu Kathoden-, Anoden- an Elektrolytmaterialie fir de Gebrauch a Lithiumionebatterien (LIB), Natriumionebatterien (NIB) an anere Batteriezelle benotzt ginn. Hielscher Ultraschallsystemer gi benotzt, fir Nanokompositten ze synthetiséieren, Nanopartikelen ze funktionaliséieren an Nanomaterialien zu homogenen, stabile Suspensiounen ze dispergéieren.
Mat enger Produktpalette vun Ultraschallprozessoren am Labormoossstaf bis hin zum vollindustrielle Moossstaf ass Hielscher de Maartleader fir héich performant Ultraschalldispergéierer. Hielscher Ultrasonics schafft zënter méi wéi 30 Joer am Beräich vun der Synthes a Verklengerung vun Nanomaterialien, huet ëmfaassend Erfarung an der Veraarbechtung vun Nanopartikele mat Ultraschall a bitt déi leeschtungsstäerkst an zouverlässegst Ultraschallprozessoren um Maart un. Däitsch Ingenieurskonscht suergt fir modernst Technologie a robust Qualitéit.
Fortgeschratt Technologie, héich Leeschtung an ausgeklügelt Software maachen d’Hielscher Ultraschallgeräter zu zouverlässegen Aarbechtspäerd an Ärem Elektrodenhierstellungsprozess. All Ultraschallsystemer ginn am Haaptsëtz zu Teltow an Däitschland hiergestallt, op Qualitéit a Robustheet getest an duerno vun Däitschland aus an déi ganz Welt verdeelt.
Déi ausgeklügelt Hardware an déi intelligent Software vun den Hielscher Ultraschallgeräter sinn entworf, fir en zouverlässege Betrib, reproduzéierbar Resultater a Benotzerfrëndlechkeet ze garantéieren. D’Hielscher Ultraschallgeräter si robust a liwwere konstant Leeschtung, wouduerch se an usprochsvollen Ëmfeld installéiert an ënner Bedéngunge mat héijer Belaaschtung bedriwwe kënne ginn. D’Betribsastellunge kënnen einfach iwwer en intuitive Menü opgeruff an agestallt ginn, deen iwwer en digitale Faarf-Touchdisplay an eng Fernsteierung iwwer de Browser zougänglech ass. Dobäi ginn all Veraarbechtungsbedéngunge wéi Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitud, Zäit, Drock an Temperatur automatesch op enger agebauter SD-Kaart opgezeechent. Dat erlaabt Iech, fréier Ultraschallbehandlungen ze iwwerpréiwen an ze vergläichen an d’Synthes, d’Funktionaliséierung an d’Dispersioun vun Nanomaterialien a Kompositten op déi héchst Effizienz ze optiméieren.
Systemer vun Hielscher Ultrasonics gi weltwäit fir déi sonocheemesch Synthes vun Nanomaterialie benotzt an hunn hir Zouverlässegkeet bei der Dispersioun vun Nanopartikelen zu stabile kolloidale Suspensioune bewisen. Hielscher Industrieultraschallgeräter kënne kontinuéierlech mat héijen Amplitudë bedriwwe ginn a si fir de 24/7-Betrib gebaut. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne mat Standardsonotroden (Ultraschallsonden / -häerner) einfach kontinuéierlech generéiert ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
Hielscher Ultraschallprozessoren fir sonocheemesch Synthes, Funktionaliséierung, Nanostrukturéierung an Desagglomeratioun si scho weltwäit am kommerzielle Moossstaf installéiert. Kontaktéiert eis elo, fir Äre Prozessschrëtt mat Nanomaterialie fir d’Batteriehierstellung ze diskutéieren! Eist erfuere Personal gëtt Iech gär weider Informatiounen iwwer iwwerleeën Dispersiounsresultater, héich performant Ultraschallsystemer a Präisser!
Mam Virdeel vun der Ultraschallbehandlung wäert Är fortgeschratt Elektroden- an Elektrolytproduktioun am Verglach mat aneren Elektrodenhiersteller duerch Effizienz, Einfachheet an niddreg Käschten erausstiechen!

Déi follgend Tabell gëtt Iech eng Indikatioun vun der ongeféierer Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallgeräter: