Sonochemiczna synteza materiałów elektrodowych do produkcji baterii

W produkcji wysokowydajnych ogniw akumulatorowych, nanostrukturalne materiały i nanokompozyty odgrywają ważną rolę, zapewniając lepsze przewodnictwo elektryczne, 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. Ultradźwiękowa obróbka nanocząstek jest najlepszą, skuteczną i niezawodną techniką wytwarzania wysokowydajnych nanomateriałów i nanokompozytów do produkcji zaawansowanych baterii.

Ultradźwiękowa dyspersja materiałów aktywnych elektrochemicznie w zawiesinach elektrodowych

Nanomateriały są stosowane jako innowacyjne materiały elektrodowe, co zaowocowało znaczną poprawą wydajności baterii wielokrotnego ładowania. Przezwyciężenie zjawiska aglomeracji, agregacji i separacji faz ma kluczowe znaczenie w procesie przygotowania zawiesin do produkcji elektrod, zwłaszcza gdy w grę wchodzą materiały o rozmiarach nano. Nanomateriały zwiększają powierzchnię czynną elektrod baterii, co pozwala im absorbować więcej energii podczas cykli ładowania i zwiększa ich całkowitą zdolność do magazynowania energii. Aby w pełni wykorzystać zalety nanomateriałów, cząstki o nanostrukturze muszą zostać usunięte i rozprowadzone jako oddzielne cząstki w zawiesinie elektrod. Technologia dyspergowania ultradźwiękowego zapewnia zogniskowane siły wysokiego ścinania (sonomechaniczne) oraz energię sonochemiczną, co prowadzi do mieszania na poziomie atomowym i kompleksowania materiałów o rozmiarach nano.
Nanocząstki takie jak grafen, nanorurki węglowe (CNTs), metale i minerały ziem rzadkich muszą być równomiernie rozproszone w stabilnej zawiesinie w celu uzyskania wysoce funkcjonalnych materiałów elektrodowych.
Na przykład, grafen i CNT są dobrze znane z tego, że zwiększają wydajność ogniw akumulatorowych, ale należy przezwyciężyć problem aglomeracji cząsteczek. Oznacza to, że absolutnie konieczna jest wysokowydajna technika dyspersji, zdolna do przetwarzania nanomateriałów i możliwie wysokich lepkości. Wysokowydajną metodą dyspersji są ultradźwiękowe urządzenia typu sonda, które mogą przetwarzać nanomateriały nawet przy dużych obciążeniach stałych w sposób niezawodny i efektywny.

Dlaczego sonikacja jest najlepszą techniką do przetwarzania nanomateriałów?

Kiedy inne techniki dyspergowania i mieszania, takie jak mieszalniki z wysokim ścinaniem, młyny perełkowe lub homogenizatory wysokociśnieniowe osiągają swoje granice, ultradźwięki są metodą, która wyróżnia się w przetwarzaniu mikro- i nanocząstek.
Ultradźwięki o dużej mocy oraz generowana ultradźwiękowo kawitacja akustyczna zapewniają unikalne warunki energetyczne oraz ekstremalną gęstość energii, która pozwala na deaglomerację lub eksfoliację nanomateriałów, ich funkcjonalizację, syntezę nanostruktur w procesach bottom-up oraz otrzymywanie wysokowydajnych nanokompozytów.
Ponieważ ultradźwiękowe dyspergatory firmy Hielscher umożliwiają precyzyjne sterowanie najważniejszymi parametrami obróbki ultradźwiękowej, takimi jak natężenie (Ws/mL), amplituda (µm), temperatura (ºC/ºF) i ciśnienie (bar), warunki obróbki mogą być indywidualnie dostrajane do optymalnych ustawień dla każdego materiału i procesu. Dzięki temu dyspergatory ultradźwiękowe są bardzo uniwersalne i mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań, np. dyspersji CNT, eksfoliacji grafenu, sonochemicznej syntezy cząstek otoczki rdzeniowej lub funkcjonalizacji nanocząstek krzemu.

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

Dowiedz się więcej o ultradźwiękowych urządzeniach przemysłowych Hielscher do obróbki nanomateriałów w produkcji baterii!

Poniżej przedstawiamy różne zastosowania obróbki nanomateriałów z wykorzystaniem ultradźwięków:

Ultradźwiękowa synteza nanokompozytów

Ultradźwiękowa synteza grafenu-SnO₂ nanokompozyt: Zespół badawczy Deosakar et al. (2013) opracował wspomaganą ultradźwiękami drogę otrzymywania nanokompozytu grafen-SnO2. Badali oni efekty kawitacyjne generowane przez ultradźwięki o dużej mocy podczas syntezy kompozytu grafen-SnO2. Do sonikacji użyto urządzenia firmy Hielscher Ultrasonics. Wyniki badań wykazały, że ultradźwięki poprawiają dokładność i równomierność ładowania SnO₂ na arkuszach grafenowych w wyniku reakcji utleniania-redukcji pomiędzy tlenkiem grafenu a SnCl₂· 2H₂O w porównaniu do konwencjonalnych metod syntezy.

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

SnO₂-Nanokompozyt grafenowy został z powodzeniem otrzymany na drodze nowatorskiej i efektywnej syntezy chemicznej wspomaganej ultradźwiękami, a tlenek grafenu został zredukowany za pomocą SnCl₂ do arkuszy grafenowych w obecności HCl. Analiza TEM wykazała równomierne i drobne obciążenie SnO₂ w arkuszach grafenowych. Wykazano, że efekty kawitacyjne powstające w wyniku zastosowania promieniowania ultradźwiękowego intensyfikują drobne i równomierne osadzanie SnO2 na nanorusztach grafenowych w trakcie reakcji utleniania-redukcji pomiędzy tlenkiem grafenu a SnCl₂· 2H₂O. Intensyfikacja drobnych i równomiernych nanocząstek SnO2 (3-5 nm) na zredukowanych arkuszach grafenowych jest przypisywana wzmocnionemu zarodkowaniu i transferowi rozpuszczalnika w wyniku efektu kawitacyjnego indukowanego przez promieniowanie ultradźwiękowe. Dokładne i równomierne nanoszenie SnO₂ Nanocząstki SnO na arkuszach grafenowych potwierdzono również na podstawie analizy TEM. Zastosowanie zsyntetyzowanych SnO₂zademonstrowano nanokompozyt grafenowy jako materiał anodowy w bateriach litowo-jonowych. Uzyskano wzrost pojemności SnO₂-Nanokompozyt grafenowy oparty na baterii Li-battery jest stabilny przez około 120 cykli, a bateria może powtarzać stabilną reakcję ładowania-rozładowania. (Deosakar et al., 2013)

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

Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek w zawiesinach baterii

Dyspersja składników elektrody: Waser i wsp. (2011) przygotowali elektrody z fosforanem żelaza litu (LiFePO₄). Zawiesina zawierała LiFePO4 jako materiał aktywny, sadzę jako dodatek przewodzący prąd elektryczny, 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 mieszano w NMP za pomocą mieszadła ultradźwiękowego (UP200H, Hielscher Ultrasonics) przez 2 min przy 200 W i 24 kHz.
Niska przewodność elektryczna i powolna dyfuzja jonów Li-I wzdłuż jednowymiarowych kanałów LiFePO₄ można przezwyciężyć poprzez osadzenie LiFePO₄ w przewodzącej matrycy, np. sadzy. Ponieważ nanocząstki i struktury cząstek typu rdzeń-otoczka poprawiają przewodnictwo elektryczne, technologia dyspersji ultradźwiękowej i sonochemiczna synteza cząstek typu rdzeń-otoczka pozwalają na wytwarzanie doskonałych nanokompozytów do zastosowań w akumulatorach.

Dyspersja fosforanu żelaza litu: Zespół badawczy Hagberga (Hagberg i in., 2018) wykorzystał m.in. ultradźwiękowiec UP100H do procedury strukturalnej elektrody dodatniej składającej się z włókien węglowych pokrytych fosforanem żelaza litu (LFP). Włókna węglowe są ciągłymi, samostojącymi kosmykami działającymi jako kolektory prądu i zapewniają sztywność mechaniczną i wytrzymałość. W celu uzyskania optymalnej wydajności, włókna są powlekane indywidualnie, np. przy użyciu osadzania elektroforetycznego.
Badano różne proporcje wagowe mieszanin składających się z LFP, CB i PVDF. Mieszaniny te nakładano na włókna węglowe. Ponieważ niejednorodny rozkład w kąpieli powlekającej może różnić się od składu w samej powłoce, zastosowano mieszanie ultradźwiękowe w celu zminimalizowania tej różnicy.
Zauważono, że cząstki są stosunkowo dobrze rozproszone w całej powłoce, co przypisuje się użyciu środka powierzchniowo czynnego (Triton X-100) i etapowi ultradźwiękowemu przed osadzaniem elektroforetycznym.

Przekrój poprzeczny i obrazy SEM w dużym powiększeniu włókien węglowych pokrytych EPD. Mieszaninę LFP, CB i PVDF homogenizowano ultradźwiękowo za pomocą urządzenia ultradźwiękowiec UP100H. Powiększenia: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Opracowanie i zdjęcie: ©Hagberg et al., 2018)

Dyspersja LiNi_00,5Mn_1.5O₄ kompozytowy materiał katodowy:
Vidal et al. (2013) badali wpływ etapów przetwarzania, takich jak sonikacja, ciśnienie i skład materiału dla LiNi_00,5Mn_1.5O₄katody kompozytowe.
Dodatnie elektrody kompozytowe zawierające LiNi_00,5 Mn_1.5O4 jako materiału aktywnego, mieszaniny grafitu i sadzy w celu zwiększenia przewodności elektrycznej elektrody oraz polifluorku winylidenu (PVDF) lub mieszaniny PVDF z niewielką ilością Teflonu® (1 wt%) do budowy elektrody. Zostały one wytworzone metodą tape casting na folii aluminiowej jako kolektorze prądu z wykorzystaniem techniki brzeszczotu. Dodatkowo, mieszaniny składników były poddawane sonikacji lub nie, a przetworzone elektrody były zagęszczane lub nie w procesie prasowania na zimno. Badaniom poddano dwie formulacje:
Formuła A (bez Teflonu®): 78% mas. LiNi_00,5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% sadza; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
Formuła B (z Teflonem®): 78% LiNi0_00,5Mn_1.5O4; 7,5-wt% sadza; 2,5-wt% grafit; 11-wt% PVDF; 1-wt% Teflon®.
W obu przypadkach składniki zostały zmieszane i zdyspergowane w N-metylopirolidynonie (NMP). LiNi_00,5 Mn_1.5Spinel O4 (2g) wraz z pozostałymi składnikami w ustalonych proporcjach zdyspergowano w 11 ml NMP. W niektórych przypadkach mieszaninę poddano sonikacji przez 25 min, a następnie mieszano w temperaturze pokojowej przez 48 h. W innych przypadkach mieszaninę po prostu mieszano w temperaturze pokojowej przez 48 h, tj. bez sonikacji. Obróbka sonikacyjna sprzyja homogenicznemu rozproszeniu składników elektrody, a otrzymana elektroda LNMS wygląda bardziej jednorodnie.
Przygotowano i przebadano elektrody kompozytowe o dużej masie, do 17mg/cm2, jako elektrody dodatnie do akumulatorów litowo-jonowych. Dodatek Teflonu® oraz zastosowanie obróbki sonikacyjnej prowadzi do uzyskania jednorodnych elektrod, dobrze przylegających do folii aluminiowej. Oba parametry przyczyniają się do poprawy pojemności odprowadzanej przy wysokich prędkościach (5C). Dodatkowe zagęszczenie elektrod i folii aluminiowej znacznie zwiększa wydajność elektrody. W przypadku szybkości 5C, dla elektrod o masie w zakresie 3-17mg/cm, stwierdzono znaczące retencje pojemności pomiędzy 80% a 90%.²posiadające w swoim składzie Teflon®, przygotowane po sonikacji ich mieszanek składowych i zagęszczone pod ciśnieniem 2 ton/cm².
Podsumowując, elektrody zawierające 1 % mas. Teflonu® w składzie, ich mieszanki składowe poddane obróbce sonikacyjnej, zagęszczone przy 2 ton/cm2 i o masie w zakresie 2,7-17 mg/cm2 wykazały się niezwykłą zdolnością szybkościową. Nawet przy wysokim prądzie 5C, znormalizowana pojemność rozładowania wynosiła pomiędzy 80% a 90% dla wszystkich tych elektrod. (por. Vidal et al., 2013)

Wysokowydajne dyspergatory ultradźwiękowe do produkcji baterii

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje urządzenia ultradźwiękowe o wysokiej mocy i wydajności, które są używane do przetwarzania materiałów katodowych, anodowych i elektrolitów stosowanych w bateriach litowo-jonowych (LIB), bateriach sodowo-jonowych (NIB) i innych ogniwach akumulatorowych. Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher służą do syntezy nanokompozytów, funkcjonalizacji nanocząstek oraz dyspersji nanomateriałów do jednorodnych, stabilnych zawiesin.
Firma Hielscher jest liderem na rynku wysokowydajnych dyspergatorów ultradźwiękowych, oferując portfolio od laboratoryjnych do w pełni przemysłowych procesorów ultradźwiękowych. Działając od ponad 30 lat w dziedzinie syntezy nanomateriałów i redukcji wielkości, firma Hielscher Ultrasonics posiada bogate doświadczenie w ultradźwiękowym przetwarzaniu nanocząstek i oferuje najmocniejsze i najbardziej niezawodne procesory ultradźwiękowe na rynku. Niemiecka inżynieria zapewnia najnowocześniejszą technologię i solidną jakość.
Zaawansowana technologia, wysoka wydajność i zaawansowane oprogramowanie czynią z ultradźwiękowców firmy Hielscher niezawodne konie robocze w procesie produkcji elektrod. Wszystkie systemy ultradźwiękowe są produkowane w głównej siedzibie firmy w Teltow w Niemczech, testowane pod względem jakości i wytrzymałości, a następnie dystrybuowane z Niemiec na cały świat.
Zaawansowany sprzęt i inteligentne oprogramowanie ultradźwiękowców Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodną pracę, powtarzalne wyniki oraz łatwość obsługi. Ultradźwiękowce Hielscher są solidne i konsekwentne w działaniu, co pozwala na ich instalację w wymagających środowiskach i eksploatację w ciężkich warunkach. Ustawienia robocze są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, które jest dostępne poprzez cyfrowy kolorowy wyświetlacz dotykowy i zdalne sterowanie przez przeglądarkę. Wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na weryfikację i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz na optymalizację syntezy, funkcjonalizacji i dyspersji nanomateriałów i kompozytów z najwyższą wydajnością.
Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są stosowane na całym świecie do sonochemicznej syntezy nanomateriałów i sprawdzają się w dyspersji nanocząstek do stabilnych zawiesin koloidalnych. Ultradźwiękowe urządzenia przemysłowe firmy Hielscher mogą pracować w sposób ciągły z wysokimi amplitudami i są przystosowane do pracy w trybie 24/7. Amplitudy do 200µm mogą być bez problemu generowane w sposób ciągły przy użyciu standardowych sonotrod (sond ultradźwiękowych / tub). Dla jeszcze większych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta.
Procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher do sonochemicznej syntezy, funkcjonalizacji, nano-strukturyzacji i deaglomeracji są już zainstalowane na całym świecie w skali komercyjnej. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić Twój etap procesu z udziałem nanomateriałów do produkcji baterii! Nasi doświadczeni pracownicy chętnie podzielą się z Państwem informacjami na temat doskonałych wyników dyspersji, wysokowydajnych systemów ultradźwiękowych i cen!
Z zaletą ultradźwięków, Twoja zaawansowana produkcja elektrod i elektrolitów będzie wyróżniać się wydajnością, prostotą i niskimi kosztami w porównaniu z innymi producentami elektrod!

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: