Bij de productie van krachtige batterijcellen spelen nanogestructureerde materialen en nanocomposieten een belangrijke rol, omdat zij een superieure elektrische geleiding, hogere opslagdichtheden, hoge capaciteit en betrouwbaarheid bieden. Om de volledige functionaliteit van nanomaterialen te bereiken, moeten de nanodeeltjes afzonderlijk worden gedispergeerd of geëxfolieerd en zijn wellicht verdere bewerkingsstappen nodig, zoals functionalisering. 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 elektrode-slurries

Nanomaterialen worden gebruikt als innovatieve elektrodematerialen, wat resulteerde in aanzienlijk verbeterde prestaties van oplaadbare batterijen. Het tegengaan van agglomeratie, aggregatie en fasescheiding is van cruciaal belang voor de bereiding van slurries voor de productie van elektroden, vooral wanneer het materialen met nanogrootte betreft. Nanomaterialen vergroten het actieve oppervlak van batterijelektroden, waardoor zij meer energie kunnen opnemen tijdens het opladen en hun totale energieopslagcapaciteit kunnen vergroten. Om het volledige voordeel van nanomaterialen te verkrijgen, moeten deze nanogestructureerde deeltjes worden ontward en als afzonderlijke deeltjes in de elektrodeslurry worden verdeeld. Ultrasone dispergeertechnologie levert gerichte high-shear (sonomechnische) krachten en sonochemische energie, wat leidt tot menging op atomair niveau en complexering van materialen met nanogrootte.
Nanodeeltjes zoals grafeen, koolstofnanobuisjes (CNT's), metalen en zeldzame aardmetalen moeten op uniforme wijze 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 deeltjesagglomeratie moet worden overwonnen. Dit betekent dat een dispergeertechniek met hoge prestaties, die nanomaterialen en mogelijk hoge viscositeiten kan verwerken, absoluut vereist is. Ultrasone sonde-type ultrasoonapparaten zijn de hoogwaardige dispergeermethode, die nanomaterialen zelfs bij hoge vaste stofbelastingen 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 hebben bereikt, is ultrasoonbehandeling de methode die het meest geschikt is voor de verwerking van micro- en nanodeeltjes.
Ultrasoon geluid met hoog vermogen en de ultrasonisch 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 in bottom-up processen, en hoogwaardige nanocomposieten te bereiden.
Aangezien met Hielscher ultrasone dispersoren de belangrijkste ultrasone verwerkingsparameters zoals intensiteit (Ws/mL), amplitude (µm), temperatuur (ºC/ºF) en druk (bar) nauwkeurig kunnen worden geregeld, kunnen de verwerkingsomstandigheden individueel worden afgestemd op optimale instellingen voor elk materiaal en proces. Ultrasone dispergeerapparaten zijn dus zeer veelzijdig en kunnen worden gebruikt voor talrijke toepassingen, zoals CNT-dispersie, grafeen-exfoliatie, sonochemische synthese van kernschilddeeltjes of functionalisering van siliciumnanopartikels.

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 ultrasooninstallaties voor de verwerking van nanomaterialen in de batterijproductie!

Hieronder vindt u diverse ultrasonisch gestuurde toepassingen van nanomateriaalverwerking:

Ultrasone synthese van nanocomposieten

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

Grafiek van het vormingsproces van grafeenoxide en SnO₂-grafeen nanocomposiet.
(Studie en foto's: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-grafeennanocomposiet is met succes bereid door middel van een nieuwe en effectieve ultrasone oplossing-gebaseerde chemische syntheseroute en grafeenoxide werd gereduceerd door SnCl₂ aan grafeenvellen in de aanwezigheid van HCl. TEM-analyse toont de uniforme en fijne lading van SnO₂ in grafeen nanosheets. De cavitatie-effecten die door het gebruik van ultrasone bestralingen worden veroorzaakt, blijken de fijne en uniforme lading van SnO2 op grafeen-nanosheets te intensiveren 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 opgeloste overdracht als gevolg van cavitatie-effect geïnduceerd door ultrasone bestralingen. Fijne en uniforme lading van SnO₂ nanodeeltjes op grafeennanosheets werd ook bevestigd door TEM-analyse. De toepassing van de gesynthetiseerde SnO₂-grafeen nanocomposiet als anodemateriaal in lithium-ionbatterijen is aangetoond. De capaciteit van SnO₂-grafeen nanocomposiet gebaseerde Li-batterij is stabiel voor ongeveer 120 cycli, en de batterij kan een stabiele laad-ontlaad reactie herhalen. (Deosakar et al., 2013)

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

Ultrasone dispersie van nanodeeltjes in batterijslurries

Verspreiding van elektode componenten: Waser et al. (2011) bereidden elektroden met lithiumijzerfosfaat (LiFePO₄). De slurry bevatte LiFePO4 als actief materiaal, roet als elektrisch geleidend additief, 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. Voor de bereiding van de suspensies 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 één-dimensionale kanalen van LiFePO₄ kan worden overwonnen door LiFePO₄ in een geleidende matrix, b.v. roet. Aangezien nanodeeltjes en core-shell-deeltjesstructuren de elektrische geleiding verbeteren, maken ultrasone dispersietechnologie en sonochemische synthese van core-shell-deeltjes het mogelijk superieure nanocomposieten voor batterijtoepassingen te produceren.

Dispersie van lithium-ijzerfosfaat: Het onderzoeksteam van Hagberg (Hagberg et al., 2018) gebruikte de ultrasoonapparaat UP100H voor de procedure van 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, b.v. met behulp van elektroforetische afzetting.
Verschillende gewichtsverhoudingen van mengsels bestaande uit LFP, CB en PVDF werden getest. Deze mengsels werden gecoat op koolstofvezels. Aangezien de inhomogene verdeling in de samenstellingen van het coatingbad zou kunnen verschillen van de samenstelling in de coating zelf, wordt rigoureus geroerd door middel van ultrasoonbehandeling om het verschil zo klein mogelijk te houden.
Zij merkten op dat de deeltjes relatief goed verspreid zijn over de coating, wat wordt toegeschreven aan het gebruik van een oppervlakte-actieve stof (Triton X-100) en de ultrasoonstap die aan de elektroforetische afzetting voorafgaat.

Doorsnede en sterk vergrote SEM-beelden van EPD gecoate koolstofvezels. Het mengsel van LFP, CB en PVDF werd ultrasonisch 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)

Verspreiding van LiNi_0.5Mn_1.5de₄ samengesteld kathodemateriaal:
Vidal et al. (2013) onderzochten de invloed van processtappen zoals sonicatie, druk en materiaalsamenstelling voor LiNi_0.5Mn_1.5de₄samengestelde 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 geleidbaarheid van de elektrode en polyvinyldenefluoride (PVDF) of een mengsel van PVDF met een kleine hoeveelheid Teflon® (1 wt%) voor het opbouwen van de elektrode. Zij werden verwerkt door met plakband 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 samengeperst door ze vervolgens koud te persen. Er zijn twee formuleringen getest:
A-samenstelling (zonder Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% Carbon black; 2,5 wt% Graphite; 12 wt% PVDF
B-samenstelling (met Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% Carbon black; 2,5 wt% Graphite; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
In beide gevallen werden de componenten gemengd en gedispergeerd in N-methylpyrrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2 g) samen met de andere componenten in de vermelde reeds vastgestelde percentages werd gedispergeerd in 11 ml NMP. In sommige specifieke gevallen werd het mengsel gedurende 25 minuten met een sonicator gezoend en vervolgens gedurende 48 uur bij kamertemperatuur geroerd; in andere gevallen werd het mengsel slechts gedurende 48 uur bij kamertemperatuur geroerd, d.w.z. zonder enige sonicatie. 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 hechten aan de aluminiumfolie. Beide parameters dragen bij tot de verbetering van de capaciteit die wordt afgetapt bij hoge snelheden (5C). Extra verdichting van de elektrode/aluminium assemblages verbetert opmerkelijk de elektrode snelheid mogelijkheden. Bij een snelheid van 5C worden opmerkelijke capaciteitsretenties tussen 80% en 90% gevonden voor elektroden met gewichten in het bereik van 3-17mg/cm²met Teflon® in de formulering, bereid na sonicatie van de samenstellende mengsels en verdicht onder 2 ton/cm².
Samengevat vertoonden de elektroden met 1 gew.t. Teflon® in hun formulering, hun componentenmengsels onderworpen aan een sonicatiebehandeling, verdicht bij 2 ton/cm2 en met gewichten in het bereik van 2,7-17 mg/cm2 een opmerkelijk snelheidsvermogen. Zelfs bij de hoge stroomsterkte van 5C lag de genormaliseerde ontladingscapaciteit voor al deze elektroden tussen 80% en 90%. (cf. Vidal et al., 2013)

Krachtige ultrasone dispergeermachines voor batterijproductie

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, vervaardigt en distribueert krachtige ultrasoonapparatuur die wordt gebruikt voor het verwerken van kathode-, anode- en elektrolytmaterialen voor gebruik in lithium-ionbatterijen (LIB), natrium-ionbatterijen (NIB) en andere batterijcellen. Hielscher ultrasone systemen worden gebruikt voor het synthetiseren van nanocomposieten, het functionaliseren van nanodeeltjes en het dispergeren van nanomaterialen in homogene, stabiele suspensies.
Hielscher is marktleider op het gebied van ultrasone dispergeerapparaten met hoge prestaties en biedt een breed assortiment van ultrasone processoren op laboratorium- tot volledig industriële schaal. Hielscher Ultrasonics is al meer dan 30 jaar actief op het gebied van nanosynthese en -verkleining. Het bedrijf heeft uitgebreide ervaring met ultrasone verwerking van nanodeeltjes en biedt de krachtigste en betrouwbaarste ultrasone processoren op de markt. Duitse engineering zorgt voor state-of-the-art technologie en robuuste kwaliteit.
Geavanceerde technologie, hoge prestaties en geavanceerde software maken Hielscher ultrasoonapparaten tot betrouwbare werkpaarden in uw elektrodenproductieproces. Alle ultrasooninstallaties worden in het hoofdkantoor in Teltow, Duitsland vervaardigd, op kwaliteit en robuustheid getest en vervolgens vanuit Duitsland over de hele wereld gedistribueerd.
De geavanceerde hardware en slimme software van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De Hielscher ultrasoonapparaten zijn robuust en consistent in hun prestaties, waardoor ze in veeleisende omgevingen kunnen worden geïnstalleerd en onder zware bedrijfsomstandigheden kunnen worden gebruikt. Operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleuren touch-display en browser-afstandsbediening. Alle verwerkingscondities, zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur, worden automatisch geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart. Dit stelt u in staat om eerdere sonicatieruns te herzien en te vergelijken en de synthese, functionalisering en dispersie van nanomaterialen en composieten zo efficiënt mogelijk te optimaliseren.
Hielscher ultrasoon 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 ultrasooninstallaties kunnen continu hoge amplitudes draaien en zijn gebouwd voor 24/7-bedrijf. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes / hoorns). Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar.
Hielscher ultrasoonprocessoren voor sonochemische synthese, functionalisering, nano-structurering 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, high-performance ultrasoon systemen en prijzen!
Met het voordeel van de ultrasonatie, zal uw geavanceerde elektrode en elektrolyt productie uitblinken in efficiëntie, eenvoud en lage kosten in vergelijking met andere elektrode fabrikanten!

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: