Sonochemiczna synteza materiałów elektrodowych do produkcji akumulatorów

W produkcji wysokowydajnych ogniw akumulatorowych, nanostrukturalne materiały i nanokompozyty odgrywają ważną rolę, zapewniając doskonałą przewodność elektryczną, wyższą gęstość magazynowania, wysoką pojemność i niezawodność. Aby osiągnąć pełną funkcjonalność nanomateriałów, nanocząstki muszą być indywidualnie rozproszone lub złuszczone i mogą wymagać dalszych etapów przetwarzania, takich jak funkcjonalizacja. Ultradźwiękowe nanoprzetwarzanie jest doskonałą, skuteczną i niezawodną techniką wytwarzania wysokowydajnych nanomateriałów i nanokompozytów do zaawansowanej produkcji akumulatorów.

Dyspersja ultradźwiękowa materiałów aktywnych elektrochemicznie w zawiesinach elektrod

Nanomateriały są wykorzystywane jako innowacyjne materiały elektrodowe, co znacznie poprawiło wydajność akumulatorów. Przezwyciężenie aglomeracji, agregacji i separacji faz ma kluczowe znaczenie dla przygotowania zawiesin do produkcji elektrod, zwłaszcza w przypadku materiałów o rozmiarach nano. Nanomateriały zwiększają aktywną powierzchnię elektrod baterii, co pozwala im absorbować więcej energii podczas cykli ładowania i zwiększać ich ogólną zdolność magazynowania energii. Aby uzyskać pełną korzyść z nanomateriałów, te nanostrukturalne cząstki muszą zostać rozplątane i rozprowadzone jako oddzielne cząstki w zawiesinie elektrod. Technologia dyspergowania ultradźwiękowego zapewnia skoncentrowane siły ścinające (sonomechniczne), a także energię sonochemiczną, co prowadzi do mieszania na poziomie atomowym i kompleksowania materiałów o nanorozmiarach.
Nanocząsteczki, takie jak grafen, nanorurki węglowe (CNT), metale i minerały ziem rzadkich muszą być równomiernie rozproszone w stabilnej zawiesinie w celu uzyskania wysoce funkcjonalnych materiałów elektrodowych.
Na przykład, dobrze wiadomo, że grafen i CNT poprawiają wydajność ogniw akumulatorowych, ale należy przezwyciężyć aglomerację cząstek. Oznacza to, że absolutnie wymagana jest wysokowydajna technika dyspersji, zdolna do przetwarzania nanomateriałów i ewentualnie wysokiej lepkości. Ultradźwięki typu sondowego są wysokowydajną metodą dyspergowania, która może niezawodnie i skutecznie przetwarzać nanomateriały nawet przy dużych obciążeniach stałych.

Dlaczego sonikacja jest najlepszą techniką przetwarzania nanomateriałów?

Gdy inne techniki dyspergowania i mieszania, takie jak mieszalniki o wysokim ścinaniu, młyny perełkowe lub homogenizatory wysokociśnieniowe, osiągają swoje granice, ultradźwięki są metodą, która wyróżnia się przetwarzaniem mikro- i nanocząstek.
Ultradźwięki o dużej mocy i ultradźwiękowo generowana kawitacja akustyczna zapewniają wyjątkowe warunki energetyczne i ekstremalną gęstość energii, która pozwala na deaglomerację lub złuszczanie nanomateriałów, ich funkcjonalizację, syntezę nanostruktur w procesach oddolnych oraz przygotowanie wysokowydajnych nanokompozytów.
Ponieważ ultradźwięki Hielscher pozwalają na precyzyjną kontrolę najważniejszych parametrów przetwarzania ultradźwiękowego, takich jak intensywność (Ws / ml), amplituda (µm), temperatura (ºC /ºF) i ciśnienie (bar), warunki przetwarzania mogą być indywidualnie dostosowywane do optymalnych ustawień dla każdego materiału i procesu. W ten sposób dyspergatory ultradźwiękowe są bardzo wszechstronne i mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań, np. dyspersji CNT, eksfoliacji grafenu, sonochemicznej syntezy cząstek powłoki rdzenia lub funkcjonalizacji nanocząstek krzemu.

Mikrofotografie SEM sonochemicznie przygotowanego Na0.44MnO2 przez kalcynację w 900 ° C przez 2 godziny.
(Badanie i zdjęcie: ©Shinde et al., 2019)

Dowiedz się więcej o przemysłowych ultrasonografach Hielscher do przetwarzania nanomateriałów w produkcji baterii!

Poniżej znajdują się różne ultradźwiękowe zastosowania przetwarzania nanomateriałów:

Ultradźwiękowa synteza nanokompozytów

Ultradźwiękowa synteza grafenu-SnO₂ nanokompozyt: Zespół badawczy Deosakar et al. (2013) opracował wspomaganą ultradźwiękami drogę do przygotowania nanokompozytu grafen-SnO2. Zbadali oni efekty kawitacyjne generowane przez ultradźwięki o dużej mocy podczas syntezy kompozytu grafen-SnO2. Do sonikacji wykorzystali urządzenie Hielscher Ultrasonics. Wyniki pokazują ultradźwiękowo ulepszone drobne i równomierne ładowanie SnO₂ na nanoarkuszach grafenowych poprzez reakcję utleniania-redukcji pomiędzy tlenkiem grafenu i SnCl₂-2H₂O w porównaniu do konwencjonalnych metod syntezy.

Wykres przedstawiający proces formowania tlenku grafenu i SnO₂-nanokompozyt grafenowy.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-Nanokompozyt grafenowy został z powodzeniem przygotowany za pomocą nowatorskiej i skutecznej drogi syntezy chemicznej wspomaganej ultradźwiękami, a tlenek grafenu został zredukowany przez SnCl₂ do arkuszy grafenu w obecności HCl. Analiza TEM wykazała równomierne i drobne obciążenie SnO₂ w nanoarkuszach grafenowych. Wykazano, że efekty kawitacyjne powstałe w wyniku zastosowania napromieniowania ultradźwiękowego intensyfikują drobne i równomierne ładowanie SnO2 na nanosieciach grafenowych podczas reakcji utleniania-redukcji między tlenkiem grafenu a SnCl.₂-2H₂O. Zintensyfikowany drobny i równomierny ładunek nanocząstek SnO2 (3-5 nm) na zredukowanych nanosiatkach grafenowych przypisuje się zwiększonemu zarodkowaniu i przenoszeniu substancji rozpuszczonych w wyniku efektu kawitacyjnego wywołanego napromieniowaniem ultradźwiękowym. Drobne i równomierne obciążenie SnO₂ na nanoarkuszach grafenowych została również potwierdzona na podstawie analizy TEM. Zastosowanie zsyntetyzowanych nanocząstek SnO₂jako materiału anodowego w bateriach litowo-jonowych. Pojemność SnO₂-Nanokompozytowa bateria litowo-grafenowa jest stabilna przez około 120 cykli, a bateria może powtarzać stabilną reakcję ładowania-rozładowania. (Deosakar et al., 2013)

Obraz TEM SnO₂-Nanokompozyt grafenowy przygotowany metodą sonochemiczną. Pasek wskazuje w (A) 10nm, w (B) w 5nm.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Deosakar et al., 2013)

Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek w zawiesinach baterii

Rozproszenie elementów elektrody: Waser et al. (2011) przygotowali elektrody z fosforanem litowo-żelazowym (LiFePO₄). Zawiesina zawierała LiFePO4 jako materiał aktywny, sadzę jako dodatek przewodzący prąd elektryczny, a jako spoiwo zastosowano polifluorek winylidenu rozpuszczony w N-metylopirolidynonie (NMP). Stosunek masowy (po wysuszeniu) AM/CB/PVDF w elektrodach wynosił 83/8,5/8,5. Aby przygotować zawiesiny, wszystkie składniki elektrod zmieszano w NMP za pomocą mieszadła ultradźwiękowego (UP200H, Hielscher Ultrasonics) przez 2 minuty przy 200 W i 24 kHz.
Niska przewodność elektryczna i powolna dyfuzja jonów litu wzdłuż jednowymiarowych kanałów LiFePO₄ można przezwyciężyć poprzez osadzenie LiFePO₄ w przewodzącej matrycy, np. sadzy. Ponieważ nanocząstki i struktury cząstek rdzeń-powłoka poprawiają przewodność elektryczną, technologia dyspersji ultradźwiękowej i synteza sonochemiczna cząstek rdzeń-powłoka pozwalają na wytwarzanie doskonałych nanokompozytów do zastosowań w akumulatorach.

Dyspersja fosforanu litowo-żelazowego: Zespół badawczy Hagberga (Hagberg i in., 2018) wykorzystał ultradźwiękowy UP100H dla procedury strukturalnej elektrody dodatniej składającej się z włókien węglowych pokrytych fosforanem litowo-żelazowym (LFP). Włókna węglowe są ciągłymi, samodzielnymi pasmami działającymi jako kolektory prądu i zapewniają mechaniczną sztywność i wytrzymałość. Aby uzyskać optymalną wydajność, włókna są powlekane indywidualnie, np. przy użyciu osadzania elektroforetycznego.
Przetestowano różne proporcje wagowe mieszanin składających się z LFP, CB i PVDF. Mieszaniny te zostały naniesione na włókna węglowe. Ponieważ niejednorodny rozkład w kompozycji kąpieli powlekającej może różnić się od składu samej powłoki, w celu zminimalizowania różnicy zastosowano rygorystyczne mieszanie za pomocą ultradźwięków.
Zauważyli, że cząstki są stosunkowo dobrze rozproszone w całej powłoce, co przypisuje się zastosowaniu środka powierzchniowo czynnego (Triton X-100) i etapowi ultradźwięków przed osadzaniem elektroforetycznym.

Przekrój poprzeczny i obrazy SEM w dużym powiększeniu włókien węglowych pokrytych EPD. Mieszanina LFP, CB i PVDF została poddana homogenizacji ultradźwiękowej przy użyciu urządzenia ultradźwiękowy UP100H. Powiększenia: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Badanie i zdjęcie: ©Hagberg et al., 2018)

Dyspersja LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozytowy materiał katody:
Vidal et al. (2013) zbadali wpływ etapów przetwarzania, takich jak sonikacja, ciśnienie i skład materiału dla LiNi_0.5Mn_1.5O₄katody kompozytowe.
Dodatnie elektrody kompozytowe zawierające LiNi_0.5 Mn_1.5O4 jako materiał aktywny, mieszanka grafitu i sadzy w celu zwiększenia przewodności elektrycznej elektrody oraz poliwinylenofluorek (PVDF) lub mieszanka PVDF z niewielką ilością Teflonu® (1% mas.) do budowy elektrody. Zostały one przetworzone przez odlewanie taśmy na folię aluminiową jako kolektor prądu przy użyciu techniki rakla. Dodatkowo, mieszanki składników były poddawane sonikacji lub nie, a przetworzone elektrody były zagęszczane lub nie w procesie prasowania na zimno. Przetestowano dwie formuły:
Formuła A (bez Teflonu®): 78% wag. LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5% wag. sadzy; 2,5% wag. grafitu; 12% wag. PVDF
Formuła B (z Teflonem®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5% wag. sadzy; 2,5% wag. grafitu; 11% wag. PVDF; 1% wag. teflonu®.
W obu przypadkach składniki zostały zmieszane i zdyspergowane w N-metylopirolidynonie (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5Spinel O4 (2 g) wraz z innymi składnikami w podanych wcześniej proporcjach procentowych zdyspergowano w 11 ml NMP. W niektórych przypadkach mieszaninę poddano działaniu ultradźwięków przez 25 minut, a następnie mieszano w temperaturze pokojowej przez 48 godzin. W innych przypadkach mieszaninę po prostu mieszano w temperaturze pokojowej przez 48 godzin, tj. bez sonikacji. Zabieg sonikacji sprzyja jednorodnej dyspersji składników elektrody, a uzyskana elektroda LNMS wygląda bardziej jednolicie.
Elektrody kompozytowe o dużej masie, do 17 mg/cm2, zostały przygotowane i przebadane jako elektrody dodatnie do akumulatorów litowo-jonowych. Dodanie Teflonu® i zastosowanie obróbki sonikacyjnej prowadzi do uzyskania jednolitych elektrod, które dobrze przylegają do folii aluminiowej. Oba parametry przyczyniają się do poprawy pojemności odprowadzanej przy wysokich prędkościach (5C). Dodatkowe zagęszczenie zespołów elektroda/aluminium znacznie zwiększa możliwości elektrody. Przy szybkości 5C, dla elektrod o masie w zakresie 3-17 mg/cm, uzyskano znaczną retencję pojemności pomiędzy 80% a 90%.²zawierające Teflon® w swoim składzie, przygotowane po sonikacji ich mieszanek składowych i zagęszczone poniżej 2 ton/cm².
Podsumowując, elektrody zawierające 1% wagowy Teflonu® w swoim składzie, ich mieszanki składowe poddane obróbce sonikacyjnej, zagęszczone przy 2 tonach/cm2 i o masie w zakresie 2,7-17 mg/cm2 wykazały niezwykłą zdolność do szybkości. Nawet przy wysokim prądzie 5C, znormalizowana pojemność rozładowania wynosiła od 80% do 90% dla wszystkich tych elektrod. (por. Vidal et al., 2013)

Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do produkcji akumulatorów

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje wysokiej mocy, wysokowydajny sprzęt ultradźwiękowy, który jest wykorzystywany do przetwarzania materiałów katodowych, anodowych i elektrolitowych do stosowania w akumulatorach litowo-jonowych (LIB), akumulatorach sodowo-jonowych (NIB) i innych ogniwach akumulatorowych. Systemy ultradźwiękowe Hielscher służą do syntezy nanokompozytów, funkcjonalizacji nanocząstek i rozpraszania nanomateriałów w jednorodne, stabilne zawiesiny.
Oferując portfolio od laboratoryjnych do w pełni przemysłowych procesorów ultradźwiękowych, Hielscher jest liderem na rynku wysokowydajnych dyspergatorów ultradźwiękowych. Pracując od ponad 30 lat w dziedzinie syntezy nanomateriałów i redukcji wielkości, Hielscher Ultrasonics ma bogate doświadczenie w ultradźwiękowej obróbce nanocząstek i oferuje najbardziej wydajne i niezawodne procesory ultradźwiękowe na rynku. Niemiecka inżynieria zapewnia najnowocześniejszą technologię i solidną jakość.
Zaawansowana technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie sprawiają, że ultradźwięki Hielscher stają się niezawodnymi końmi roboczymi w procesie produkcji elektrod. Wszystkie systemy ultradźwiękowe są produkowane w siedzibie głównej w Teltow w Niemczech, testowane pod kątem jakości i wytrzymałości, a następnie dystrybuowane z Niemiec na całym świecie.
Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie ultradźwiękowców Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodne działanie, powtarzalne wyniki, a także łatwość obsługi. Ultradźwięki Hielscher są solidne i spójne pod względem wydajności, co pozwala na instalowanie ich w wymagających środowiskach i pracę w ciężkich warunkach. Ustawienia operacyjne są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, do którego można uzyskać dostęp za pomocą cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i pilota zdalnego sterowania. W związku z tym wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na rewizję i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz optymalizację syntezy, funkcjonalizacji i dyspersji nanomateriałów i kompozytów z najwyższą wydajnością.
Systemy Hielscher Ultrasonics są stosowane na całym świecie do sonochemicznej syntezy nanomateriałów i okazały się niezawodne w dyspersji nanocząstek do stabilnych zawiesin koloidalnych. Przemysłowe ultrasonografy firmy Hielscher mogą w sposób ciągły pracować z wysokimi amplitudami i są przeznaczone do pracy w trybie 24/7. Amplitudy do 200 µm można łatwo generować w sposób ciągły za pomocą standardowych sonotrod (sondy ultradźwiękowe / rogi). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do syntezy sonochemicznej, funkcjonalizacji, nanostrukturyzacji i deaglomeracji są już instalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić etap procesu obejmujący nanomateriały do produkcji baterii! Nasz doświadczony personel chętnie podzieli się informacjami na temat doskonałych wyników dyspersji, wysokowydajnych systemów ultradźwiękowych i cen!
Dzięki zaletom ultradźwięków, zaawansowana produkcja elektrod i elektrolitów będzie wyróżniać się wydajnością, prostotą i niskimi kosztami w porównaniu z innymi producentami elektrod!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: