Sonochemische synthese van elektrodematerialen voor de productie van batterijen

Bij de productie van batterijcellen met hoge prestaties spelen nanogestructureerde materialen en nanocomposieten een belangrijke rol doordat ze een superieur elektrisch geleidingsvermogen, hogere opslagdichtheden, een hoge capaciteit en betrouwbaarheid bieden. Om de volledige functionaliteit van nanomaterialen te benutten, moeten nanodeeltjes afzonderlijk worden gedispergeerd of geëxfolieerd en zijn mogelijk verdere verwerkingsstappen nodig, zoals functionalisering. Ultrasone nanoverwerking is de superieure, doeltreffende en betrouwbare techniek om nanomaterialen en nanocomposieten met hoge prestaties te produceren voor geavanceerde batterijproductie.

Ultrasone dispersie van elektrochemisch actieve materialen in elektrodeslurries

Nanomaterialen worden gebruikt als innovatieve elektrodematerialen, wat tot aanzienlijk betere prestaties van oplaadbare batterijen heeft geleid. Het tegengaan van agglomeratie, aggregatie en fasescheiding is cruciaal voor de bereiding van slurries voor de productie van elektroden, vooral wanneer het om materialen op nanoschaal gaat. Nanomaterialen vergroten het actieve oppervlak van batterijelektroden, waardoor deze tijdens laadcycli meer energie kunnen opnemen en hun totale energieopslagcapaciteit kunnen vergroten. Om de voordelen van nanomaterialen volledig te benutten, moeten deze nanogestructureerde deeltjes worden ontward en als afzonderlijke deeltjes in de elektrodeslurry worden verdeeld. Ultrasone dispergeertechnologie levert gerichte krachten met sterke afschuiving (sonomechanische krachten) en sonochemische energie, wat leidt tot menging en complexvorming van materialen op nanoschaal op atomair niveau.
Nanodeeltjes zoals grafeen, koolstofnanobuisjes (CNT’s), metalen en zeldzameaardmineralen moeten gelijkmatig in een stabiele slurry worden gedispergeerd om elektrodematerialen met een hoge functionaliteit te verkrijgen.
Zo staan grafeen en CNT’s erom bekend de prestaties van batterijcellen te verbeteren, maar moet agglomeratie van deeltjes worden tegengegaan. Dit betekent dat een dispergeertechniek met hoge prestaties die nanomaterialen en mogelijk hoge viscositeiten kan verwerken, absoluut noodzakelijk is. Sonicators met een sonde vormen de dispergeermethode met hoge prestaties waarmee nanomaterialen zelfs bij hoge vaste-stofgehalten betrouwbaar en doeltreffend kunnen worden verwerkt.

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

Wanneer andere dispergeer- en mengtechnieken, zoals mengers met sterke afschuiving, parelmolens of hogedrukhomogenisatoren, hun grenzen bereiken, is sonicatie de methode die uitblinkt in de verwerking van deeltjes op micro- en nanoschaal.
Krachtig ultrageluid en de ultrasoon opgewekte akoestische cavitatie bieden unieke energieomstandigheden en een extreme energiedichtheid die het mogelijk maken nanomaterialen te deagglomereren of te exfoliëren, ze te functionaliseren, nanostructuren te synthetiseren via bottom-upprocessen en nanocomposieten met hoge prestaties te bereiden.
Omdat sonicators van Hielscher nauwkeurige controle over 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 op optimale instellingen worden afgestemd. Daardoor zijn ultrasone dispergeerapparaten zeer veelzijdig en kunnen ze voor talrijke toepassingen worden gebruikt, bijvoorbeeld CNT-dispersie, grafeenexfoliatie, sonochemische synthese van kern-schildeeltjes of functionalisering van siliciumnanodeeltjes.

SEM-microfoto’s van sonochemisch bereid Na0.44MnO2 door calcinatie bij 900°C gedurende 2 h.
(Onderzoek en afbeelding: ©Shinde et al., 2019)

Lees meer over industriële sonicators van Hielscher voor de verwerking van nanomaterialen bij de productie van batterijen!

Hieronder vindt u diverse ultrasoon aangedreven toepassingen voor de verwerking van nanomaterialen:

Ultrasone synthese van nanocomposieten

Ultrasone synthese van grafeen–SnO₂ als nanocomposiet: Het onderzoeksteam van Deosakar et al. (2013) ontwikkelde een ultrasoon ondersteunde route om een nanocomposiet van grafeen–SnO2 te bereiden. Ze onderzochten de cavitatie-effecten die door krachtig ultrageluid werden opgewekt tijdens de synthese van het composiet van grafeen–SnO2. Voor de sonicatie gebruikten ze een apparaat van Hielscher Ultrasonics. De resultaten tonen aan dat de fijne en gelijkmatige belading met SnO₂ op grafeennanosheets ultrasoon wordt verbeterd door een oxidatie–reductiereactie tussen grafeenoxide en SnCl₂·2H₂O, vergeleken met conventionele synthesemethoden.

Schema dat het vormingsproces van grafeenoxide en het nanocomposiet SnO₂–grafeen weergeeft.
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafeen is met succes als nanocomposiet bereid via een nieuwe en doeltreffende, ultrasoon ondersteunde chemische syntheseroute in oplossing, en grafeenoxide werd door SnCl₂ gereduceerd tot grafeensheets in aanwezigheid van HCl. TEM-analyse toont de gelijkmatige en fijne belading met SnO₂ in grafeennanosheets. Het is aangetoond dat de cavitatie-effecten die door ultrasone bestraling ontstaan, de fijne en gelijkmatige belading met SnO2 op grafeennanosheets versterken tijdens de oxidatie–reductiereactie tussen grafeenoxide en SnCl₂·2H₂O. De versterkte fijne en gelijkmatige belading met SnO2-nanodeeltjes (3–5 nm) op gereduceerde grafeennanosheets wordt toegeschreven aan de verbeterde kiemvorming en het verbeterde transport van opgeloste stoffen als gevolg van het door ultrasone bestraling opgewekte cavitatie-effect. De fijne en gelijkmatige belading met nanodeeltjes van SnO₂ op grafeennanosheets werd ook door TEM-analyse bevestigd. De toepassing van het gesynthetiseerde nanocomposiet SnO₂–grafeen als anodemateriaal in lithium-ionbatterijen wordt aangetoond. De capaciteit van een Li-batterij op basis van het nanocomposiet SnO₂–grafeen is gedurende ongeveer 120 cycli stabiel, en de batterij kon de laad–ontlaadreactie stabiel herhalen. (Deosakar et al., 2013)

TEM-afbeelding van het nanocomposiet SnO₂–grafeen, bereid met een sonochemische methode. De schaalbalk geeft bij (A) 10nm en bij (B) 5nm aan.
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes in batterijslurries

Dispersie van elektrodecomponenten: Waser et al. (2011) bereidden elektroden met lithiumijzerfosfaat (LiFePO₄). De slurry bevatte LiFePO4 als actief materiaal en carbon black als elektrisch geleidend additief; polyvinylideenfluoride, opgelost in N-methylpyrrolidinon (NMP), werd als bindmiddel gebruikt. De massaverhouding (na droging) 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 min bij 200 W en 24 kHz.
Het lage elektrische geleidingsvermogen en de trage diffusie van Li-ionen langs de eendimensionale kanalen van LiFePO₄ kunnen worden ondervangen door LiFePO₄ in een geleidende matrix, bijvoorbeeld carbon black, in te bedden. Omdat deeltjes op nanoschaal en kern-schildeeltjesstructuren het elektrische geleidingsvermogen verbeteren, maken ultrasone dispergeertechnologie en sonochemische synthese van kern-schildeeltjes het mogelijk superieure nanocomposieten voor batterijtoepassingen te produceren.

Dispersie van lithiumijzerfosfaat: Het onderzoeksteam van Hagberg (Hagberg et al., 2018) gebruikte de sonicator UP100H voor de bereiding van een structurele positieve elektrode bestaande uit koolstofvezels die met lithiumijzerfosfaat (LFP) zijn gecoat. De koolstofvezels zijn continue, zelfdragende vezelbundels die als stroomcollectoren fungeren en mechanische stijfheid en sterkte zullen bieden. Voor optimale prestaties worden de vezels afzonderlijk gecoat, bijvoorbeeld door middel van elektroforetische depositie.
Verschillende gewichtsverhoudingen van mengsels bestaande uit LFP, CB en PVDF werden getest. Deze mengsels werden als coating op koolstofvezels aangebracht. Omdat de samenstelling van het coatingbad door een inhomogene verdeling kan verschillen van de samenstelling van de coating zelf, wordt krachtig roeren door middel van sonicatie gebruikt om het verschil te minimaliseren.
Ze merkten op dat de deeltjes relatief goed door de hele coating zijn gedispergeerd, wat wordt toegeschreven aan het gebruik van een oppervlakteactieve stof (Triton X-100) en de sonicatiestap voorafgaand aan de elektroforetische depositie.

Dwarsdoorsnede en SEM-afbeeldingen bij hoge vergroting van koolstofvezels die via EPD zijn gecoat. Het mengsel van LFP, CB en PVDF werd ultrasoon gehomogeniseerd met de sonicator UP100H. Vergrotingen: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Onderzoek en afbeelding: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersie van LiNi_0.5Mn_1.5O₄ als composietkathodemateriaal:
Vidal et al. (2013) onderzochten de invloed van verwerkingsstappen zoals sonicatie, druk en materiaalsamenstelling op composietkathoden met LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Positieve composietelektroden bevatten LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinel als actief materiaal, een mengsel van grafiet en carbon black om het elektrische geleidingsvermogen van de elektrode te verhogen en hetzij polyvinylideenfluoride (PVDF), hetzij een mengsel van PVDF met een kleine hoeveelheid Teflon® (1 wt%) voor de opbouw van de elektrode. Ze werden door tapegieten met de doctorbladtechniek op een aluminiumfolie als stroomcollector verwerkt. Daarnaast werden de componentenmengsels al dan niet gesoniceerd, en werden de verwerkte elektroden al dan niet verdicht tijdens daaropvolgend koudpersen. Twee formuleringen werden getest:
Formulering A (zonder Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% carbon black; 2,5 wt% grafiet; 12 wt% PVDF
Formulering B (met Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% carbon black; 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 (2g) werd samen met de overige componenten in de reeds vastgelegde, genoemde percentages gedispergeerd in 11 ml NMP. In enkele specifieke gevallen werd het mengsel gedurende 25 min gesoniceerd en vervolgens gedurende 48 h bij kamertemperatuur geroerd. In andere gevallen werd het mengsel alleen gedurende 48 h bij kamertemperatuur geroerd, dus zonder sonicatie. De sonicatiebehandeling bevordert een homogene dispersie van de elektrodecomponenten en de verkregen LNMS-elektrode ziet er gelijkmatiger uit.
Composietelektroden met een hoog gewicht, tot 17mg/cm2, werden bereid en onderzocht als positieve elektroden voor lithium-ionbatterijen. De toevoeging van Teflon® en de toepassing van de sonicatiebehandeling leiden tot gelijkmatige elektroden die goed aan de aluminiumfolie hechten. Beide parameters dragen bij aan een verbetering van de onttrokken capaciteit bij hoge snelheden (5C). Aanvullende verdichting van de elektrode/aluminium-assemblages verbetert het vermogen van de elektroden om bij hoge snelheden te functioneren aanzienlijk. Bij een snelheid van 5C wordt een opmerkelijk capaciteitsbehoud tussen 80% en 90% gevonden voor elektroden met gewichten in het bereik 3–17mg/cm², die Teflon® in hun formulering bevatten, die na sonicatie van hun componentenmengsels zijn bereid en die onder 2 ton/cm² zijn verdicht.
Samenvattend vertoonden elektroden met 1 wt% Teflon® in hun formulering, waarvan de componentenmengsels een sonicatiebehandeling hadden ondergaan, die bij 2 ton/cm2 waren verdicht en die gewichten in het bereik 2,7–17 mg/cm2 hadden, een opmerkelijk vermogen om bij hoge snelheden te functioneren. Zelfs bij de hoge stroom van 5C lag de genormaliseerde ontlaadcapaciteit voor al deze elektroden tussen 80% en 90%. (vgl. Vidal et al., 2013)

Ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties voor de productie van batterijen

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert krachtige ultrasone apparatuur met hoge prestaties die wordt gebruikt om kathode-, anode- en elektrolytmaterialen te verwerken voor gebruik in lithium-ionbatterijen (LIB), natrium-ionbatterijen (NIB) en andere batterijcellen. Ultrasone systemen van Hielscher worden gebruikt om nanocomposieten te synthetiseren, nanodeeltjes te functionaliseren en nanomaterialen in homogene, stabiele suspensies te dispergeren.
Met een assortiment ultrasone processoren van laboratoriumschaal tot volledig industriële schaal is Hielscher marktleider op het gebied van ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties. Hielscher Ultrasonics is al meer dan 30 jaar actief op het gebied van synthese van nanomaterialen en deeltjesverkleining, heeft uitgebreide ervaring met ultrasone verwerking van nanodeeltjes en biedt de krachtigste en betrouwbaarste ultrasone processoren op de markt. Duitse engineering biedt de modernste technologie en robuuste kwaliteit.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken sonicators van Hielscher tot betrouwbare werkpaarden in uw productieproces voor elektroden. Alle ultrasone systemen worden geproduceerd op het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland, getest op kwaliteit en robuustheid en vervolgens vanuit Duitsland wereldwijd gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van sonicators van Hielscher zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De sonicators van Hielscher zijn robuust en leveren consistente prestaties, waardoor ze in veeleisende omgevingen kunnen worden geïnstalleerd en onder zware bedrijfsomstandigheden kunnen worden gebruikt. Bedrijfsinstellingen kunnen eenvoudig worden geopend en ingesteld via een intuïtief menu dat toegankelijk is via een digitaal kleurentouchscreen en afstandsbediening via een browser. Daarom worden alle verwerkingsomstandigheden, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, automatisch op een ingebouwde SD-kaart vastgelegd. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieprocessen bekijken en vergelijken en de synthese, functionalisering en dispersie van nanomaterialen en composieten optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Systemen van Hielscher Ultrasonics worden wereldwijd gebruikt voor de sonochemische synthese van nanomaterialen en hebben bewezen betrouwbaar te zijn voor de dispersie van nanodeeltjes in stabiele colloïdale suspensies. Industriële sonicators van Hielscher kunnen continu met hoge amplitudes werken en zijn gebouwd voor 24/7-bedrijf. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden opgewekt met standaardsonotroden (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn ultrasone sonotroden op maat beschikbaar.
Ultrasone processoren van Hielscher voor sonochemische synthese, functionalisering, nanostructurering en deagglomeratie zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw processtap met nanomaterialen voor de productie van batterijen te bespreken! Onze zeer ervaren medewerkers delen graag meer informatie over superieure dispersieresultaten, ultrasone systemen met hoge prestaties en prijzen!
Dankzij de voordelen van sonicatie zal uw geavanceerde productie van elektroden en elektrolyten uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten ten opzichte van andere elektrodefabrikanten!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators: