Sonochemische synthese van elektrodematerialen voor batterijproductie

Bij de productie van krachtige batterijcellen spelen nanogestructureerde materialen en nanocomposieten een belangrijke rol voor superieure elektrische geleidbaarheid, hogere opslagdichtheden, hoge capaciteit en betrouwbaarheid. Om de volledige functionaliteit van nanomaterialen te bereiken, moeten nanodeeltjes afzonderlijk worden gedispergeerd of geëxfolieerd en hebben ze mogelijk verdere bewerkingsstappen nodig, zoals functionalisatie. Ultrasone nanoverwerking is de superieure, efficiënte en betrouwbare techniek om hoogwaardige nanomaterialen en nanocomposieten te produceren voor geavanceerde batterijproductie.

Ultrasone dispersie van elektrochemisch actieve materialen in elektrodeslurries

Nanomaterialen worden gebruikt als innovatieve elektrodematerialen, wat resulteerde in aanzienlijk betere prestaties van oplaadbare batterijen. Het overwinnen van agglomeratie, samenklontering en fasescheiding is cruciaal voor de bereiding van slurries voor de productie van elektroden, vooral wanneer het materialen van nanogrootte betreft. Nanomaterialen vergroten het actieve oppervlak van batterijelektroden, waardoor ze meer energie kunnen opnemen tijdens oplaadcycli en hun totale energieopslagcapaciteit kunnen verhogen. Om het volledige voordeel van nanomaterialen te verkrijgen, moeten deze nanogestructureerde deeltjes worden ontward en als afzonderlijke deeltjes in de elektrodeslurry worden gedistribueerd. Ultrasone dispergeertechnologie levert gerichte hoge schuifkrachten (sonomechnische krachten) en sonochemische energie, wat leidt tot menging op atomair niveau en complexatie van materialen van nanogrootte.
Nanodeeltjes zoals grafeen, koolstofnanobuizen (CNT's), metalen en zeldzame aardmineralen moeten uniform worden gedispergeerd in een stabiele slurry om zeer functionele elektrodematerialen te verkrijgen.
Het is bijvoorbeeld bekend dat grafeen en CNT's de prestaties van batterijcellen verbeteren, maar de deeltjesagglomeratie moet worden overwonnen. Dit betekent dat een hoogwaardige dispergeertechniek, die nanomaterialen en mogelijk hoge viscositeiten kan verwerken, absoluut vereist is. Ultrasone sondes zijn de hoogwaardige dispergeermethode die nanomaterialen zelfs bij hoge vaste ladingen betrouwbaar en efficiënt kan verwerken.

Waarom is sonificatie de superieure techniek voor de verwerking van nanomaterialen?

Wanneer andere dispergeer- en mengtechnieken zoals high-shear mixers, parelmolens of hogedrukhomogenisatoren hun grenzen bereiken, is ultrasoonbehandeling de methode die eruit springt voor het verwerken van micron- en nanodeeltjes.
Ultrasoon geluid met hoog vermogen en ultrasoon gegenereerde akoestische cavitatie zorgen voor unieke energieomstandigheden en extreme energiedichtheid waarmee nanomaterialen kunnen deagglomereren of exfoliëren, kunnen worden gefunctionaliseerd, nanostructuren kunnen worden gesynthetiseerd in bottom-up processen en hoogwaardige nanocomposieten kunnen worden gemaakt.
Aangezien Hielscher ultrasone dispergeerders de precieze regeling van de belangrijkste ultrasone verwerkingsparameters mogelijk maken, zoals intensiteit (Ws/mL), amplitude (µm), temperatuur (ºC/ºF) en druk (bar), kunnen de verwerkingsomstandigheden voor elk materiaal en proces afzonderlijk worden ingesteld op de optimale instellingen. Daardoor zijn ultrasone dispergeerders zeer veelzijdig en kunnen ze worden gebruikt voor talloze toepassingen, zoals CNT-dispersie, grafeenexfoliatie, sonochemische synthese van kernomhullende deeltjes of functionalisatie van silicium nanodeeltjes.

SEM-microfoto's van sonochemisch bereid Na0,44MnO2 door calcinatie bij 900°C gedurende 2 uur.
(Studie en foto: ©Shinde et al., 2019)

Meer informatie over Hielscher industriële ultrasoonapparaten voor de verwerking van nanomaterialen in de batterijproductie!

Hieronder vindt u verschillende ultrasoon gestuurde toepassingen van nanomateriaalverwerking:

Ultrasone synthese van nanocomposieten

Ultrasone synthese van grafeen-SnO₂ nanocomposiet: Het onderzoeksteam van Deosakar et al. (2013) ontwikkelde een ultrasoon gestuurde route om een grafeen-SnO2 nanocomposiet te bereiden. Ze onderzochten de cavitatie-effecten gegenereerd door ultrageluid met een hoog vermogen tijdens de synthese van grafeen-SnO2 composiet. Voor sonicatie gebruikten ze een Hielscher Ultrasonics apparaat. De resultaten tonen een ultrasonisch verbeterde fijne en uniforme belading van SnO₂ op grafeennanosheets door oxidatiereductiereactie tussen grafeenoxide en SnCl₂-2H₂O vergeleken met conventionele synthesemethoden.

Grafiek die het vormingsproces van grafeenoxide en SnO laat zien₂-grafeen nanocomposiet.
(Studie en foto's: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-grafeennanocomposiet met succes bereid via een nieuwe en effectieve ultrasone chemische syntheseroute met behulp van oplossingen en grafeenoxide werd gereduceerd door SnCl₂ aan grafeenvellen in aanwezigheid van HCl. TEM-analyse toont de uniforme en fijne belading van SnO₂ in grafeennanosheets. De cavitatie-effecten die ontstaan door het gebruik van ultrasone bestraling blijken de fijne en uniforme lading van SnO2 op grafeennanosheets te versterken tijdens de oxidatiereductiereactie tussen grafeenoxide en SnCl₂-2H₂O. De intensievere fijne en uniforme lading van SnO2 nanodeeltjes (3-5 nm) op gereduceerde grafeen nanosheets wordt toegeschreven aan de verbeterde nucleatie en overdracht van opgeloste deeltjes als gevolg van cavitatie-effect geïnduceerd door ultrasone bestraling. Fijn en uniform laden van SnO₂ nanodeeltjes op grafeen-nanosheets werd ook bevestigd door TEM-analyse. De toepassing van gesynthetiseerde SnO₂-grafeennanocomposiet als anodemateriaal in lithiumionbatterijen gedemonstreerd. De capaciteit van SnO₂-Li-batterij op basis van grafeennanocomposiet is stabiel voor ongeveer 120 cycli en de batterij kan een stabiele laad/ontlaadreactie herhalen. (Deosakar et al., 2013)

TEM-afbeelding van SnO₂-grafeen nanocomposiet bereid met een sonochemische methode. De balk geeft bij (A) 10 nm aan, bij (B) 5 nm.
(Studie en foto's: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes in batterijslurries

Spreiding van elektrodecomponenten: Waser et al. (2011) bereidden elektroden met lithiumijzerfosfaat (LiFePO₄). De slurry bevatte LiFePO4 als actief materiaal, roet als elektrisch geleidende toevoeging en polyvinylideenfluoride opgelost in N-methylpyrrolidinon (NMP) werd gebruikt als bindmiddel. De massaverhouding (na drogen) van AM/CB/PVDF in de elektroden was 83/8.5/8.5. Om de suspensies te bereiden werden alle elektrodebestanddelen in NMP gemengd met een ultrasone roerder (UP200H, Hielscher Ultrasonics) gedurende 2 minuten bij 200 W en 24 kHz.
Lage elektrische geleidbaarheid en trage Li-ion diffusie langs de eendimensionale kanalen van LiFePO₄ kan worden overwonnen door LiFePO₄ in een geleidende matrix, bijv. roet. Aangezien nanopartikels en core-shell partikelstructuren de elektrische geleiding verbeteren, kunnen ultrasone dispersietechnologie en sonochemische synthese van core-shell partikels superieure nanocomposieten voor batterijtoepassingen produceren.

Dispersie van lithiumijzerfosfaat: Het onderzoeksteam van Hagberg (Hagberg et al., 2018) gebruikte de ultrasoonapparaat UP100H voor de procedure van een structurele positieve elektrode bestaande uit met lithiumijzerfosfaat (LFP) beklede koolstofvezels. De koolstofvezels zijn continue, op zichzelf staande linten die fungeren als stroomcollectoren en zorgen voor mechanische stijfheid en sterkte. Voor optimale prestaties worden de vezels afzonderlijk gecoat, bijvoorbeeld met elektroforetische afzetting.
Verschillende gewichtsverhoudingen van mengsels bestaande uit LFP, CB en PVDF werden getest. Deze mengsels werden gecoat op koolstofvezels. Omdat de inhomogene verdeling in de samenstelling van het coatingbad kan verschillen van de samenstelling in de coating zelf, is rigoureus roeren met ultrasoon gebruikt om het verschil te minimaliseren.
Ze merkten op dat de deeltjes relatief goed gedispergeerd zijn door de coating, wat wordt toegeschreven aan het gebruik van oppervlakteactieve stoffen (Triton X-100) en de ultrasoonstap voorafgaand aan de elektroforetische depositie.

SEM-afbeeldingen met dwarsdoorsnede en hoge vergroting van koolstofvezels met EPD-coating. Het mengsel van LFP, CB en PVDF werd ultrasoon gehomogeniseerd met behulp van de ultrasoonapparaat UP100H. Vergrotingen: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studie en foto: ©Hagberg et al., 2018)

Spreiding van LiNi_0.5Mn_1.5O₄ composiet kathodemateriaal:
Vidal et al. (2013) onderzochten de invloed van processtappen zoals sonicatie, druk en materiaalsamenstelling voor LiNi_0.5Mn_1.5O₄samengestelde kathodes.
Positieve composietelektroden met LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel als actief materiaal, een mengsel van grafiet en roet voor het verhogen van de elektrische geleiding van de elektrode en polyvinyldenefluoride (PVDF) of een mengsel van PVDF met een kleine hoeveelheid Teflon® (1 wt%) voor het opbouwen van de elektrode. Ze zijn bewerkt door tape te gieten op een aluminiumfolie als stroomcollector met behulp van de 'doctor blade'-techniek. Bovendien werden de componentmengsels al dan niet gesoniseerd en werden de verwerkte elektroden al dan niet gecompacteerd onder daaropvolgend koud persen. Er zijn twee formuleringen getest:
A-formulering (zonder Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% Koolstof zwart; 2,5 wt% Grafiet; 12 wt% PVDF
B-formulering (met Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 wt% Koolstofzwart; 2,5 wt% Grafiet; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
In beide gevallen werden de componenten gemengd en gedispergeerd in N-methylpyrrolidinon (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinel (2 g) werd samen met de andere componenten in de genoemde percentages gedispergeerd in 11 ml NMP. In sommige specifieke gevallen werd het mengsel 25 minuten gesoneerd en vervolgens 48 uur bij kamertemperatuur geroerd. In andere gevallen werd het mengsel alleen 48 uur bij kamertemperatuur geroerd, d.w.z. zonder enige vorm van sonificatie. De sonicatiebehandeling bevordert een homogene dispersie van de elektrodecomponenten en de verkregen LNMS-elektrode ziet er uniformer uit.
Composietelektroden met een hoog gewicht, tot 17mg/cm2, werden bereid en bestudeerd als positieve elektroden voor lithium-ionbatterijen. De toevoeging van Teflon® en de toepassing van de sonicatiebehandeling leiden tot uniforme elektroden die goed aan de aluminiumfolie hechten. Beide parameters dragen bij aan de verbetering van de capaciteit die wordt afgetapt bij hoge snelheden (5C). Extra verdichting van de elektrode/aluminium assemblages verbetert de capaciteit van de elektrode opmerkelijk. Bij een snelheid van 5C worden opmerkelijke capaciteitsretenties tussen 80% en 90% gevonden voor elektroden met een gewicht tussen 3-17mg/cm²met Teflon® in hun formulering, bereid na sonicatie van hun samenstellende mengsels en verdicht onder 2 ton/cm².
Samenvattend vertoonden elektroden met 1 wt% Teflon® in hun formulering, waarvan de componentmengsels een sonicatiebehandeling ondergingen, gecomprimeerd bij 2 ton/cm2 en met gewichten tussen 2,7-17 mg/cm2 een opmerkelijk snelheidsvermogen. Zelfs bij de hoge stroom van 5C lag de genormaliseerde ontlaadcapaciteit tussen 80% en 90% voor al deze elektroden. (cf. Vidal et al., 2013)

Ultrasone dispergeerders met hoge prestaties voor batterijproductie

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert krachtige ultrasone apparatuur die wordt gebruikt om kathode-, anode- en elektrolytmaterialen te verwerken voor gebruik in lithium-ionbatterijen (LIB), natrium-ionbatterijen (NIB) en andere batterijcellen. Hielscher ultrasone systemen worden gebruikt om nanocomposieten te synthetiseren, nanodeeltjes te functionaliseren en nanomaterialen te dispergeren in homogene, stabiele suspensies.
Hielscher is de marktleider op het gebied van ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties en biedt een portfolio van ultrasone processoren voor laboratoria tot ultrasone processoren op volledig industriële schaal. Hielscher Ultrasonics werkt al meer dan 30 jaar op het gebied van nanomaterialensynthese en -verkleining, heeft uitgebreide ervaring in ultrasone verwerking van nanodeeltjes en biedt de krachtigste en betrouwbaarste ultrasone processors op de markt. De Duitse techniek staat garant voor state-of-the-art technologie en robuuste kwaliteit.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken van Hielscher ultrasone systemen betrouwbare werkpaarden in uw elektrodeproductieproces. Alle ultrasone systemen worden vervaardigd in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland, getest op kwaliteit en robuustheid en vervolgens vanuit Duitsland over de hele wereld gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van de Hielscher ultrasoonmachines zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasoonapparaten zijn robuust en leveren constante prestaties, waardoor ze in veeleisende omgevingen kunnen worden geïnstalleerd en onder zware omstandigheden kunnen worden gebruikt. De operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk en te kiezen via een intuïtief menu dat toegankelijk is via het digitale kleuren touch-display en de browser-afstandsbediening. Daarom worden alle verwerkingscondities zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en de synthese, functionalisatie en dispersie van nanomaterialen en composieten optimaliseren met de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor sonochemische synthese van nanomaterialen en hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de dispersie van nanodeeltjes in stabiele colloïdale suspensies. Hielscher industriële ultrasone systemen kunnen continu hoge amplitudes aan en zijn gebouwd voor 24/7 gebruik. Amplituden tot 200 µm kunnen eenvoudig continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes/ hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar.
Hielscher ultrasone processors voor sonochemische synthese, functionalisatie, nanostructurering en deagglomeratie zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw processtap met nanomaterialen voor batterijproductie te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over superieure dispersieresultaten, hoogwaardige ultrasone systemen en prijzen!
Met het voordeel van ultrasoon, zal uw geavanceerde elektrode en elektrolyt productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere elektrode fabrikanten!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: