Elektrodu materiālu sonoķīmiskā sintēze akumulatoru ražošanai

Augstas veiktspējas akumulatoru elementu ražošanā nanostrukturētiem materiāliem un nanokompozītiem ir svarīga nozīme, jo tie nodrošina izcilu elektrovadītspēju, lielāku enerģijas uzkrāšanas blīvumu, lielu ietilpību un uzticamību. Lai pilnībā izmantotu nanomateriālu funkcionālās īpašības, nanodaļiņas ir atsevišķi jādisperģē vai jāatslāņo, un tām var būt nepieciešami papildu apstrādes posmi, piemēram, funkcionalizācija. Nanoapstrāde ar ultraskaņu ir pārāka, iedarbīga un uzticama metode augstas veiktspējas nanomateriālu un nanokompozītu iegūšanai modernu akumulatoru ražošanai.

Elektroķīmiski aktīvo materiālu disperģēšana ar ultraskaņu elektrodu suspensijās

Nanomateriālus izmanto kā inovatīvus elektrodu materiālus, un tas ir ievērojami uzlabojis uzlādējamo akumulatoru veiktspēju. Aglomerācijas, agregācijas un fāžu atdalīšanās novēršana ir izšķiroši svarīga, sagatavojot suspensijas elektrodu ražošanai, īpaši tad, ja tiek izmantoti nanoizmēra materiāli. Nanomateriāli palielina akumulatoru elektrodu aktīvās virsmas laukumu, ļaujot tiem uzlādes ciklu laikā uzņemt vairāk enerģijas un palielināt to kopējo enerģijas uzkrāšanas ietilpību. Lai pilnībā izmantotu nanomateriālu priekšrocības, šīs nanostrukturētās daļiņas jāatbrīvo no savijumiem un jāizkliedē elektrodu suspensijā kā atsevišķas daļiņas. Disperģēšanas ar ultraskaņu tehnoloģija nodrošina koncentrētus, lielus bīdes spēkus (sonomehāniskos spēkus), kā arī sonoķīmisko enerģiju, kas izraisa nanoizmēra materiālu sajaukšanos atomu līmenī un kompleksu veidošanos.
Lai iegūtu elektrodu materiālus ar augstu funkcionalitāti, nanodaļiņas, piemēram, grafēns, oglekļa nanocaurulītes (CNT), metāli un retzemju minerāli, vienmērīgi jādisperģē stabilā suspensijā.
Piemēram, ir labi zināms, ka grafēns un CNT uzlabo akumulatoru elementu veiktspēju, taču ir jānovērš daļiņu aglomerācija. Tas nozīmē, ka pilnīgi nepieciešama ir augstas veiktspējas disperģēšanas metode, kas spēj apstrādāt nanomateriālus un, iespējams, arī materiālus ar augstu viskozitāti. Zondes tipa ultraskaņas ierīču izmantošana ir augstas veiktspējas disperģēšanas metode, kas ļauj uzticami un iedarbīgi apstrādāt nanomateriālus pat ar lielu cietās fāzes saturu.

Kāpēc apstrāde ar ultraskaņu ir pārāka nanomateriālu apstrādes metode?

Kad citas disperģēšanas un sajaukšanas metodes, piemēram, maisītāji ar lielu bīdes intensitāti, lodīšu dzirnavas vai augstspiediena homogenizatori, sasniedz savu iespēju robežas, apstrāde ar ultraskaņu izceļas kā mikrometru izmēra daļiņu un nanodaļiņu apstrādes metode.
Lieljaudas ultraskaņa un tās radītā akustiskā kavitācija nodrošina unikālus enerģētiskos apstākļus un ārkārtīgi lielu enerģijas blīvumu, kas ļauj deaglomerēt vai atslāņot nanomateriālus, tos funkcionalizēt, sintezēt nanostruktūras procesos pēc augšupejošās pieejas un sagatavot augstas veiktspējas nanokompozītus.
Tā kā Hielscher ultraskaņas ierīces ļauj precīzi kontrolēt svarīgākos ultraskaņas apstrādes parametrus, piemēram, intensitāti (Ws/mL), amplitūdu (µm), temperatūru (ºC/ºF) un spiedienu (bar), katram materiālam un procesam var individuāli iestatīt optimālus apstrādes apstākļus. Tādējādi ultraskaņas disperģētāji ir ļoti daudzpusīgi un izmantojami daudzos lietojumos, piemēram, CNT disperģēšanai, grafēna atslāņošanai, daļiņu ar kodolu un apvalku sonoķīmiskajai sintēzei vai silīcija nanodaļiņu funkcionalizācijai.

Sonoķīmiski iegūta Na0.44MnO2 SEM mikroattēli pēc kalcinēšanas 900°C temperatūrā 2 h.
(Pētījums un attēls: ©Shinde et al., 2019)

Uzziniet vairāk par Hielscher rūpnieciskajām ultraskaņas ierīcēm nanomateriālu apstrādei akumulatoru ražošanā!

Tālāk ir aprakstīti dažādi ultraskaņas lietojumi nanomateriālu apstrādē:

Nanokompozītu sintēze ar ultraskaņu

Grafēna–SnO₂ nanokompozīta sintēze ar ultraskaņu: Deosakar et al. (2013) pētnieku grupa izstrādāja metodi grafēna–SnO2 nanokompozīta iegūšanai ar ultraskaņas palīdzību. Viņi pētīja lieljaudas ultraskaņas radītos kavitācijas efektus grafēna–SnO2 kompozīta sintēzes laikā. Apstrādei ar ultraskaņu viņi izmantoja Hielscher Ultrasonics ierīci. Rezultāti liecina, ka salīdzinājumā ar tradicionālajām sintēzes metodēm ultraskaņa uzlabo smalku un vienmērīgu SnO₂ uzklāšanu uz grafēna nanoloksnēm oksidēšanās–reducēšanās reakcijā starp grafēna oksīdu un SnCl₂·2H₂O.

Shēma, kurā attēlots grafēna oksīda un SnO₂–grafēna nanokompozīta veidošanās process.
(Pētījums un attēli: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafēna nanokompozīts ir veiksmīgi iegūts ar jaunu un efektīvu ķīmiskās sintēzes metodi šķīdumā ar ultraskaņas palīdzību, un grafēna oksīds ar SnCl₂ tika reducēts līdz grafēna loksnēm HCl klātbūtnē. TEM analīze uzrāda vienmērīgu un smalku SnO₂ izvietojumu grafēna nanoloksnēs. Ir pierādīts, ka ultraskaņas apstarošanas radītie kavitācijas efekti pastiprina smalku un vienmērīgu SnO2 uzklāšanu uz grafēna nanoloksnēm oksidēšanās–reducēšanās reakcijas laikā starp grafēna oksīdu un SnCl₂·2H₂O. Pastiprināta smalku SnO2 nanodaļiņu (3–5 nm) vienmērīga uzklāšana uz reducētām grafēna nanoloksnēm tiek skaidrota ar pastiprinātu kodolu veidošanos un izšķīdušās vielas pārnesi ultraskaņas apstarošanas izraisītās kavitācijas ietekmē. Smalku SnO₂ nanodaļiņu vienmērīgu izvietojumu uz grafēna nanoloksnēm apstiprināja arī TEM analīze. Ir demonstrēts sintezētā SnO₂–grafēna nanokompozīta lietojums par anoda materiālu litija jonu akumulatoros. Uz SnO₂–grafēna nanokompozīta bāzes veidotā Li akumulatora kapacitāte ir stabila aptuveni 120 ciklus, un akumulators spēja atkārtoti nodrošināt stabilu uzlādes–izlādes reakciju. (Deosakar et al., 2013)

Ar sonoķīmisko metodi iegūta SnO₂–grafēna nanokompozīta TEM attēls. Mēroga josla (A) attēlā norāda 10nm, bet (B) attēlā – 5nm.
(Pētījums un attēli: ©Deosakar et al., 2013)

Nanodaļiņu disperģēšana ar ultraskaņu akumulatoru suspensijās

Elektrodu komponentu disperģēšana: Waser et al. (2011) izgatavoja elektrodus ar litija dzelzs fosfātu (LiFePO₄). Suspensija saturēja LiFePO4 kā aktīvo materiālu un tehniskos kvēpus kā elektrību vadošu piedevu, savukārt N-metilpirolidinonā (NMP) izšķīdināts polivinilidēnfluorīds tika izmantots kā saistviela. AM/CB/PVDF masas attiecība elektrodos (pēc žāvēšanas) bija 83/8,5/8,5. Suspensiju pagatavošanai visas elektrodu sastāvdaļas sajauca NMP ar ultraskaņas maisītāju (UP200H, Hielscher Ultrasonics) 2 min pie 200 W jaudas un 24 kHz frekvences.
Zemo elektrisko vadītspēju un lēno Li jonu difūziju pa LiFePO₄ viendimensijas kanāliem var novērst, iestrādājot LiFePO₄ elektrību vadošā matricā, piemēram, tehniskajos kvēpos. Tā kā nanometru izmēra daļiņas un kodola–čaulas daļiņu struktūras uzlabo elektrisko vadītspēju, ultraskaņas disperģēšanas tehnoloģija un kodola–čaulas daļiņu sonoķīmiskā sintēze ļauj ražot izcilus nanokompozītus lietošanai akumulatoros.

Litija dzelzs fosfāta disperģēšana: Hagberg pētnieku grupa (Hagberg et al., 2018) izmantoja ultraskaņas ierīci UP100H no ar litija dzelzs fosfātu (LFP) pārklātām oglekļa šķiedrām veidota strukturālā pozitīvā elektroda izgatavošanai. Oglekļa šķiedras ir nepārtraukti, pašnesoši šķiedru kūļi, kas darbojas kā strāvas kolektori un nodrošinās mehānisko stingumu un izturību. Optimālai veiktspējai šķiedras pārklāj atsevišķi, piemēram, izmantojot elektroforētisko nogulsnēšanu.
Tika pārbaudīti dažādi LFP, CB un PVDF maisījumu masas attiecību varianti. Šos maisījumus uzklāja uz oglekļa šķiedrām. Tā kā neviendabīga sadalījuma dēļ pārklāšanas vannas sastāvs var atšķirties no paša pārklājuma sastāva, šīs atšķirības samazināšanai izmanto intensīvu maisīšanu ar ultraskaņu.
Pētnieki atzīmēja, ka daļiņas ir samērā labi disperģētas visā pārklājumā, ko skaidro ar virsmaktīvās vielas (Triton X-100) izmantošanu un apstrādi ar ultraskaņu pirms elektroforētiskās nogulsnēšanas.

Ar elektroforētisko nogulsnēšanu (EPD) pārklātu oglekļa šķiedru šķērsgriezuma un liela palielinājuma SEM attēli. LFP, CB un PVDF maisījums tika homogenizēts ar ultraskaņu, izmantojot ultraskaņas ierīci UP100H. Palielinājumi: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Pētījums un attēls: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozītā katoda materiāla disperģēšana:
Vidal et al. (2013) pētīja tādu apstrādes posmu un parametru kā apstrāde ar ultraskaņu, spiediens un materiāla sastāvs ietekmi uz LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozītkatodiem.
Pozitīvie kompozītelektrodi satur LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spineli kā aktīvo materiālu, grafīta un oglekļa kvēpu maisījumu elektroda elektrovadītspējas palielināšanai un vai nu polivinilidēnfluorīdu (PVDF), vai PVDF maisījumu ar nelielu Teflon® daudzumu (1 wt%) elektroda struktūras veidošanai. Tie tika izgatavoti, lejot plānu suspensijas slāni uz alumīnija folijas, kas kalpo kā strāvas kolektors, un izmantojot rakeli slāņa biezuma regulēšanai. Turklāt komponentu maisījumi tika vai netika apstrādāti ar ultraskaņu, un izgatavotie elektrodi pēc tam tika vai netika sablīvēti ar auksto presēšanu. Tika pārbaudīti divi sastāvi:
A sastāvs (bez Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% oglekļa kvēpu; 2,5 wt% grafīta; 12 wt% PVDF
B sastāvs (ar Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% oglekļa kvēpu; 2,5 wt% grafīta; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Abos gadījumos komponenti tika sajaukti un disperģēti N-metilpirolidinonā (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinelis (2g) kopā ar pārējiem komponentiem iepriekš norādītajās procentuālajās attiecībās tika disperģēts 11 ml NMP. Dažos konkrētos gadījumos maisījumu 25 min apstrādāja ar ultraskaņu un pēc tam 48 h maisīja istabas temperatūrā. Citos gadījumos maisījumu tikai 48 h maisīja istabas temperatūrā, t. i., bez apstrādes ar ultraskaņu. Apstrāde ar ultraskaņu veicina elektrodu komponentu viendabīgu disperģēšanu, un iegūtais LNMS elektrods izskatās viendabīgāks.
Tika izgatavoti kompozītelektrodi ar lielu masu uz laukuma vienību, līdz 17mg/cm2, un pētīti kā litija jonu akumulatoru pozitīvie elektrodi. Teflon® pievienošana un apstrāde ar ultraskaņu ļauj iegūt viendabīgus elektrodus, kas labi pieķeras alumīnija folijai. Abi parametri palīdz palielināt pie lieliem izlādes ātrumiem (5C) iegūstamo kapacitāti. Elektrodu un alumīnija folijas mezglu papildu sablīvēšana ievērojami uzlabo elektrodu spēju darboties pie lieliem uzlādes un izlādes ātrumiem. Pie 5C izlādes ātruma ievērojama kapacitātes saglabāšanās 80% līdz 90% apmērā tiek konstatēta elektrodiem ar masu uz laukuma vienību diapazonā 3–17mg/cm², kuru sastāvā ir Teflon®, kuri izgatavoti pēc to komponentu maisījumu apstrādes ar ultraskaņu un sablīvēti ar spiedienu 2 tonnas/cm².
Kopumā elektrodi, kuru sastāvā ir 1 wt% Teflon®, kuru komponentu maisījumi apstrādāti ar ultraskaņu, kuri sablīvēti ar spiedienu 2 tonnas/cm2 un kuru masa uz laukuma vienību ir diapazonā 2,7–17 mg/cm2, uzrādīja ievērojamu spēju darboties pie lieliem uzlādes un izlādes ātrumiem. Pat pie lielas strāvas 5C visu šo elektrodu normalizētā izlādes kapacitāte bija no 80% līdz 90%. (sal. Vidal et al., 2013)

Augstas veiktspējas ultraskaņas disperģētāji akumulatoru ražošanai

Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata lieljaudas, augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas, ko izmanto katodu, anodu un elektrolītu materiālu apstrādei litija jonu akumulatoriem (LIB), nātrija jonu akumulatoriem (NIB) un citiem akumulatoru elementiem. Hielscher ultraskaņas sistēmas izmanto nanokompozītu sintēzei, nanodaļiņu funkcionalizēšanai un nanomateriālu disperģēšanai viendabīgās, stabilās suspensijās.
Piedāvājot ultraskaņas procesoru klāstu no laboratorijas līdz pilnam rūpnieciskajam mērogam, Hielscher ir tirgus līderis augstas veiktspējas ultraskaņas dispergatoru jomā. Strādājot nanomateriālu sintēzes un izmēru samazināšanas jomā jau vairāk nekā 30 gadus, Hielscher Ultrasonics ir uzkrājis plašu pieredzi nanodaļiņu apstrādē ar ultraskaņu un piedāvā visjaudīgākos un uzticamākos ultraskaņas procesorus tirgū. Vācijas inženierzinātne nodrošina vismodernākās tehnoloģijas un izturīgu konstrukciju.
Progresīvas tehnoloģijas, augsta veiktspēja un izsmalcināta programmatūra padara Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas par uzticamiem palīgiem jūsu elektrodu ražošanas procesā. Visas ultraskaņas sistēmas tiek ražotas uzņēmuma galvenajā mītnē Teltovā, Vācijā, pārbaudot to kvalitāti un izturību, un pēc tam no Vācijas izplatītas visā pasaulē.
Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtu izsmalcinātā aparatūra un viedā programmatūra ir izstrādāta, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus un lietošanas ērtumu. Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtas ir izturīgas un nodrošina nemainīgu veiktspēju, tādēļ tās var uzstādīt prasīgā vidē un darbināt intensīvas slodzes apstākļos. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos regulēt intuitīvā izvēlnē, kas pieejama digitālajā krāsu skārienekrānā un ar attālinātu vadību pārlūkprogrammā. Tādējādi visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski reģistrēti iebūvētajā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos apstrādes ar ultraskaņu ciklus un optimizēt nanomateriālu un kompozītu sintēzi, funkcionalizēšanu un disperģēšanu, lai sasniegtu visaugstāko efektivitāti.
Hielscher Ultrasonics sistēmas visā pasaulē izmanto nanomateriālu sonoķīmiskajai sintēzei, un tās ir pierādījušas savu uzticamību nanodaļiņu disperģēšanā stabilās koloidālās suspensijās. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas apstrādes iekārtas var nepārtraukti darboties ar lielu amplitūdu un ir paredzētas darbībai 24/7. Ar standarta sonotrodēm (ultraskaņas zondēm / ruporiem) var viegli un nepārtraukti radīt amplitūdas līdz 200µm. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Hielscher ultraskaņas procesori sonoķīmiskajai sintēzei, funkcionalizēšanai, nanostrukturēšanai un deaglomerācijai jau ir uzstādīti komerciālā mērogā visā pasaulē. Sazinieties ar mums jau tagad, lai apspriestu jūsu akumulatoru ražošanas procesa posmu, kurā izmanto nanomateriālus! Mūsu pieredzējušie darbinieki labprāt sniegs plašāku informāciju par izciliem disperģēšanas rezultātiem, augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmām un cenām!
Izmantojot apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības, jūsu moderno elektrodu un elektrolītu ražošana izcelsies ar efektivitāti, vienkāršību un zemām izmaksām salīdzinājumā ar citiem elektrodu ražotājiem!

Tālāk redzamajā tabulā ir sniegts priekšstats par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: