Sinteza sonochimică a materialelor electrod pentru producția de baterii

În producția de celule de baterii de înaltă performanță, materialele nanostructurate și nanocompozitele joacă un rol important, asigurând o conductivitate electrică superioară, densități mai mari de stocare, capacitate mare și fiabilitate. Pentru a atinge funcționalitățile complete ale nanomaterialelor, nanoparticulele trebuie să fie dispersate individual sau exfoliate și ar putea necesita etape suplimentare de prelucrare, cum ar fi funcționalizarea. Nano-procesarea cu ultrasunete este tehnica superioară, eficace și fiabilă pentru a produce nanomateriale și nanocompozite de înaltă performanță pentru producția avansată de baterii.

Dispersia cu ultrasunete a materialelor active electrochimic în suspensiile electrozilor

Nanomaterialele sunt utilizate ca materiale inovatoare pentru electrozi, ceea ce a dus la îmbunătățirea semnificativă a performanței bateriilor reîncărcabile. Depășirea aglomerării, a agregării și a separării fazelor este esențială pentru pregătirea dejecțiilor lichide pentru fabricarea electrozilor, în special atunci când sunt implicate materiale de dimensiuni nanometrice. Nanomaterialele măresc suprafața activă a electrozilor bateriilor, ceea ce le permite să absoarbă mai multă energie în timpul ciclurilor de încărcare și să își mărească capacitatea globală de stocare a energiei. Pentru a profita pe deplin de nanomateriale, aceste particule nanostructurate trebuie să fie desprinse și distribuite ca particule separate în suspensia electrodului. Tehnologia de dispersie cu ultrasunete oferă forțe concentrate de forfecare înaltă (sonomechnical), precum și energie sonochimică, ceea ce duce la amestecarea la nivel atomic și complexarea materialelor de dimensiuni nano.
Nanoparticulele, cum ar fi grafenul, nanotuburile de carbon (CNT), metalele și mineralele de pământuri rare, trebuie dispersate uniform într-o suspensie stabilă pentru a obține materiale electrod extrem de funcționale.
De exemplu, grafenul și CNT-urile sunt bine cunoscute pentru îmbunătățirea performanței celulelor bateriei, dar aglomerarea particulelor trebuie depășită. Aceasta înseamnă că este absolut necesară o tehnică de dispersie de înaltă performanță, capabilă să prelucreze nanomateriale și, eventual, vâscozități ridicate. Ultrasonicators de tip sondă sunt metoda de dispersie de înaltă performanță, care poate procesa nanomateriale chiar și la sarcini solide mari în mod fiabil și eficient.

De ce este sonicare tehnica superioară pentru prelucrarea nanomaterialelor?

Atunci când alte tehnici de dispersare și amestecare, ar fi mixere de forfecare înaltă, mori de margele sau omogenizatoare de înaltă presiune vin la limitele lor, ultrasonication este metoda care iese în evidență pentru prelucrarea micronilor și nanoparticulelor.
Ultrasunetele de mare putere și cavitația acustică generată ultrasonically oferă condiții energetice unice și densitate energetică extremă care permite dezaglomerarea sau exfolierea nanomaterialelor, funcționalizarea acestora, sintetizarea nanostructurilor în procesele de jos în sus și pregătirea nanocompozitelor de înaltă performanță.
Deoarece ultrasonicators Hielscher permite controlul precis al celor mai importanți parametri de prelucrare cu ultrasunete, ar fi intensitatea (Ws / ml), amplitudinea (μm), temperatura (ºC / ºF) și presiunea (bar), condițiile de procesare pot fi reglate individual la setările optime pentru fiecare material și proces. Astfel, dispersoarele cu ultrasunete sunt extrem de versatile și pot fi utilizate pentru numeroase aplicații, de exemplu, dispersia CNT, exfolierea grafenului, sinteza sonochimică a particulelor de coajă de bază sau funcționalizarea nanoparticulelor de siliciu.

Micrografii SEM ale Na0.44MnO2 preparat sonochimic prin calcinare la 900°C timp de 2 ore.
(Studiu și imagine: ©Shinde și colab., 2019)

Aflați mai multe despre ultrasonicators industriale Hielscher pentru prelucrarea nanomaterialelor în fabricarea bateriilor!

Mai jos puteți găsi diverse aplicații ultrasonically conduse de prelucrarea nanomaterialelor:

Sinteza cu ultrasunete a nanocompozitelor

Sinteza cu ultrasunete de grafen-SnO₂ Nanocompozit: Echipa de cercetare a lui Deosakar et al. (2013) a dezvoltat un traseu asistat ultrasonically pentru a pregăti un nanocompozit grafen-SnO2. Ei au investigat efectele cavitaționale generate de ultrasunetele de mare putere în timpul sintezei compozitului grafen-SnO2. Pentru sonicare, au folosit un dispozitiv Hielscher Ultrasonics. Rezultatele demonstrează o încărcare fină și uniformă îmbunătățită ultrasonically a SnO₂ pe nanofoi de grafen prin reacția de oxido-reducere între oxidul de grafen și SnCl₂·2H₂O comparativ cu metodele convenționale de sinteză.

Diagramă care demonstrează procesul de formare a oxidului de grafen și a SnO₂–nanocompozit de grafen.
(Studiu și imagini: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–nanocompozitul de grafen a fost preparat cu succes printr-o cale nouă și eficientă de sinteză chimică pe bază de soluție asistată cu ultrasunete, iar oxidul de grafen a fost redus cu SnCl₂ la foi de grafen în prezența HCl. Analiza TEM arată încărcarea uniformă și fină a SnO₂ în nanofoi de grafen. Efectele cavitaționale produse datorită utilizării iradierilor cu ultrasunete s-au dovedit a intensifica încărcarea fină și uniformă a SnO2 pe nanofoi de grafen în timpul reacției de oxidare-reducere între oxidul de grafen și SnCl₂·2H₂O. Încărcarea fină și uniformă intensificată a nanoparticulelor de SnO2 (3-5 nm) pe nanofoi de grafen reduse este atribuită nucleației îmbunătățite și transferului dizolvat datorită efectului cavitațional indus de iradierile cu ultrasunete. Încărcare fină și uniformă a SnO₂ nanoparticulele de pe nanofoile de grafen au fost, de asemenea, confirmate din analiza TEM. Aplicarea SnO sintetizat₂–Se demonstrează nanocompozitul de grafen ca material anodic în bateriile litiu-ion. Capacitatea SnO₂–Bateria Li pe bază de nanocompozit de grafen este stabilă pentru aproximativ 120 de cicluri, iar bateria ar putea repeta reacția stabilă de încărcare-descărcare. (Deosakar și colab., 2013)

Imagine TEM a SnO₂–nanocompozit de grafen preparat prin metoda sonochimică. Bara indică la (A) 10nm , la (B) la 5nm.
(Studiu și imagini: ©Deosakar et al., 2013)

Dispersia cu ultrasunete a nanoparticulelor în suspensiile bateriei

Dispersia componentelor electodelor: Waser et al. (2011) au preparat electrozi cu fosfat de litiu-fier (LiFePO₄). Suspensia conținea LiFePO4 ca material activ, negru de fum ca aditiv conductiv electric, fluorură de poliviniliden dizolvată în N-metilpirolidinonă (NMP) a fost utilizată ca liant. Raportul de masă (după uscare) al AM/CB/PVDF în electrozi a fost de 83/8,5/8,5. Pentru prepararea suspensiilor, toți constituenții electrozilor au fost amestecați în NMP cu un agitator ultrasonic (UP200H, Hielscher Ultrasonics) timp de 2 minute la 200 W și 24 kHz.
Conductivitate electrică scăzută și difuzie lentă Li-ion de-a lungul canalelor unidimensionale ale LiFePO₄ poate fi depășită prin încorporarea LiFePO₄ într-o matrice conductivă, de exemplu negru de fum. Deoarece particulele de dimensiuni nano și structurile de particule miez-coajă îmbunătățesc conductivitatea electrică, tehnologia de dispersie cu ultrasunete și sinteza sonochimică a particulelor de miez-coajă permit producerea de nanocompozite superioare pentru aplicațiile bateriilor.

Dispersia fosfatului de litiu-fier: Echipa de cercetare a lui Hagberg (Hagberg et al., 2018) a folosit ultrasonicator UP100H pentru procedura electrodului structural pozitiv constând din fibre de carbon acoperite cu fosfat de litiu-fier (LFP). Fibrele de carbon sunt cabluri continue, autonome, care acționează ca colectoare de curent și vor oferi rigiditate și rezistență mecanică. Pentru o performanță optimă, fibrele sunt acoperite individual, de ex. folosind depunerea electroforetică.
Au fost testate diferite rapoarte de greutate ale amestecurilor constând din LFP, CB și PVDF. Aceste amestecuri au fost acoperite pe fibre de carbon. Deoarece distribuția neomogenă în compozițiile băii de acoperire ar putea diferi de compoziția din acoperirea în sine, agitarea riguroasă prin ultrasonication este utilizată pentru a minimiza diferența.
Ei au remarcat că particulele sunt relativ bine dispersate pe tot parcursul acoperirii, care este atribuită utilizării surfactantului (Triton X-100) și etapei de ultrasonication înainte de depunerea electroforetică.

Imagini SEM cu secțiune transversală și mărire mare ale fibrelor de carbon acoperite cu EPD. Amestecul de LFP, CB și PVDF a fost omogenizat ultrasonically folosind ultrasonicator UP100H. Măriri: a) 0,8 kx, b) 0,8 kx, c) 1,5 kx, d) 30 kx.
(Studiu și imagine: ©Hagberg și colab., 2018)

Dispersia LiNi_0.5Mn_1.5O₄ material catodic compozit:
Vidal et al. (2013) a investigat influența etapelor de procesare, cum ar fi sonicare, presiune și compoziția materialului pentru LiNi_0.5Mn_1.5O₄catozi compoziți.
Electrozi compoziti pozitivi cu LiNi_0.5 Mn_1.5Spinel de O4 ca material activ, un amestec de grafit și negru de fum pentru creșterea conductivității electrice a electrodului și fie polivinildefluorură (PVDF), fie un amestec de PVDF cu o cantitate mică de teflon® (1 greutate %) pentru construirea electrodului. Acestea au fost prelucrate prin turnarea benzii pe o folie de aluminiu ca colector de curent folosind tehnica lamei medicului. În plus, amestecurile de componente au fost fie sonicated sau nu, iar electrozii procesați au fost compactați sau nu sub presare ulterioară la rece. Au fost testate două formulări:
Formularea A (fără teflon®): 78% greutate LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7.5 wt% negru de fum; 2,5% greutate grafit; 12% greutate PVDF
Formulare B (cu teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7.5wt% negru de fum; 2,5% greutate grafit; 11% greutate PVDF; 1 greutate Teflon®
În ambele cazuri, componentele au fost amestecate și dispersate în N-metilpirolidinonă (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5Spinelul de O4 (2g) împreună cu celelalte componente din procentele menționate deja constituite au fost dispersate în 11 ml de NMP. În unele cazuri particulare, amestecul a fost sonicat pentru 25 min și apoi agitat la temperatura camerei timp de 48 h. În altele, amestecul a fost doar agitat la temperatura camerei timp de 48 de ore, adică fără nici o sonicare. Tratamentul sonicare promovează o dispersie omogenă a componentelor electrodului și electrodul LNMS obținut arată mai uniform.
Electrozii compoziti cu greutate mare, pana la 17mg/cm2, au fost preparati si studiati ca electrozi pozitivi pentru bateriile litiu-ion. Adăugarea de teflon® și aplicarea tratamentului sonicare duce la electrozi uniformi, care sunt bine aderenți la folia de aluminiu. Ambii parametri contribuie la îmbunătățirea capacității drenate la rate ridicate (5C). Compactarea suplimentară a ansamblurilor electrod / aluminiu îmbunătățește remarcabil capacitățile ratei electrodului. La o rată de 5C, se constată retenții remarcabile de capacitate între 80% și 90% pentru electrozii cu greutăți cuprinse între 3-17 mg / cm², având teflon® în formularea lor, preparat după sonicarea amestecurilor lor componente și compactat sub 2 tone/cm².
Pe scurt, electrozii având 1 wt% teflon® în formularea lor, amestecurile lor de componente supuse unui tratament de sonicare, compactate la 2 tone / cm2 și cu greutăți în intervalul 2.7-17 mg / cm2 au arătat o capacitate remarcabilă de rată. Chiar și la curentul ridicat de 5C, capacitatea de descărcare normalizată a fost între 80% și 90% pentru toți acești electrozi. (cf. Vidal et al., 2013)

Dispersoare ultrasonice de înaltă performanță pentru producția de baterii

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie echipamente cu ultrasunete de mare putere, de înaltă performanță, care este utilizat pentru a procesa catod, anod, și materiale electrolit pentru utilizare în baterii litiu-ion (LIB), baterii sodiu-ion (NIB), și alte celule de baterii. Hielscher sisteme cu ultrasunete sunt utilizate sintetiza nanocompozite, funcționaliza nanoparticule, și dispersa nanomateriale în omogene, suspensii stabile.
Oferind un portofoliu de la laborator la procesoare cu ultrasunete la scară complet industrială, Hielscher este lider de piață pentru dispersoare cu ultrasunete de înaltă performanță. De lucru de mai mult de 30 de ani în domeniul sintezei nanomaterialelor și reducerea dimensiunii, Hielscher Ultrasonics are o vastă experiență în prelucrarea nanoparticulelor cu ultrasunete și oferă cele mai puternice și fiabile procesoare cu ultrasunete de pe piață. Ingineria germană oferă tehnologie de ultimă oră și calitate robustă.
Tehnologia avansată, software-ul de înaltă performanță și sofisticat transformă ultrasonicators Hielscher în cai de lucru fiabile în procesul de fabricație a electrozilor. Toate sistemele cu ultrasunete sunt fabricate în sediul central din Teltow, Germania, testate pentru calitate și robustețe și sunt apoi distribuite din Germania în întreaga lume.
Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent al ultrasonicators Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile, precum și ușurința în utilizare. Ultrasonicators Hielscher sunt robuste și consecvente în performanță, ceea ce permite să le instalați în medii solicitante și să le opereze în condiții grele. Setările operaționale pot fi accesate și formate cu ușurință prin intermediul meniului intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului tactil color digital și al telecomenzii browserului. Prin urmare, toate condițiile de procesare, cum ar fi energia netă, energia totală, amplitudinea, timpul, presiunea și temperatura, sunt înregistrate automat pe un card SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți și să comparați rulările anterioare sonicare și pentru a optimiza sinteza, funcționalizarea, și dispersia nanomaterialelor și compozitelor la cea mai mare eficiență.
Hielscher Ultrasonics sisteme sunt utilizate în întreaga lume pentru sinteza sonochimică a nanomaterialelor și sunt dovedite a fi fiabile pentru dispersia nanoparticulelor în suspensii coloidale stabile. Hielscher ultrasonicators industriale pot rula continuu amplitudini mari și sunt construite pentru funcționare 24/7. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor generate continuu cu sonotrodes standard (sonde / coarne cu ultrasunete). Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
Hielscher procesoare cu ultrasunete pentru sinteza sonochimice, funcționalizare, nano-structurare și dezaglomerare sunt deja instalate la nivel mondial la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta despre etapa procesului care implică nanomateriale pentru fabricarea bateriilor! Personalul nostru bine experimentat va fi bucuros să împărtășească mai multe informații despre rezultatele superioare de dispersie, sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță și prețuri!
Cu avantajul ultrasonication, producția avansată de electrozi și electroliți va excela în eficiență, simplitate și costuri reduse în comparație cu alți producători de electrozi!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: