Sinteza sonochimică a materialelor de electrod pentru producția de baterii

În producția celulelor de baterie de înaltă performanță, materialele nanostructurate și nanocompozitele joacă un rol important, oferind o conductivitate electrică superioară, densități de stocare mai mari, capacitate ridicată și fiabilitate. Pentru a obține funcționalitățile complete ale nanomaterialelor, nanoparticulele trebuie dispersate sau exfoliate individual și ar putea necesita etape suplimentare de procesare, cum ar fi funcționalizarea. Nanoprocesarea cu ultrasunete este tehnica superioară, eficace și fiabilă pentru producerea de nanomateriale și nanocompozite de înaltă performanță pentru producția avansată de baterii.

Dispersarea cu ultrasunete a materialelor electrochimic active în pastele de electrod

Nanomaterialele sunt utilizate ca materiale inovatoare de electrod, ceea ce a dus la o performanță semnificativ îmbunătățită a bateriilor reîncărcabile. Depășirea aglomerării, agregării și separării fazelor este esențială pentru prepararea pastelor 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 totală de stocare a energiei. Pentru a obține avantajul deplin al nanomaterialelor, aceste particule nanostructurate trebuie descâlcite și distribuite ca particule separate în pasta de electrod. Tehnologia de dispersare cu ultrasunete furnizează forțe concentrate de forfecare ridicată (sonomecanice), precum și energie sonochimică, ceea ce conduce la amestecarea la nivel atomic și la complexarea materialelor de dimensiuni nanometrice.
Nanoparticulele precum grafena, nanotuburile de carbon (CNT), metalele și mineralele de pământuri rare trebuie dispersate uniform într-o pastă stabilă pentru a obține materiale de electrod cu funcționalitate ridicată.
De exemplu, grafena și CNT sunt bine cunoscute pentru îmbunătățirea performanței celulelor de baterie, dar aglomerarea particulelor trebuie depășită. Aceasta înseamnă că este absolut necesară o tehnică de dispersare de înaltă performanță, capabilă să proceseze nanomateriale și, eventual, vâscozități ridicate. Ultrasonicatoarele cu sondă reprezintă metoda de dispersare de înaltă performanță, care poate procesa nanomateriale în mod fiabil și eficace chiar și la încărcări mari de solide.

De ce este sonicarea tehnica superioară pentru procesarea nanomaterialelor?

Atunci când alte tehnici de dispersare și amestecare, precum mixerele cu forfecare ridicată, morile cu bile sau omogenizatoarele de înaltă presiune, își ating limitele, ultrasonicarea este metoda care se remarcă pentru procesarea microparticulelor și a nanoparticulelor.
Ultrasunetele de mare putere și cavitația acustică generată ultrasonic oferă condiții energetice unice și o densitate extremă de energie, care permit dezaglomerarea sau exfolierea nanomaterialelor, funcționalizarea acestora, sinteza nanostructurilor prin procese de tip bottom-up și prepararea nanocompozitelor de înaltă performanță.
Deoarece ultrasonicatoarele Hielscher permit controlul precis al celor mai importanți parametri de procesare cu ultrasunete, precum 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 dispersarea CNT, exfolierea grafenei, sinteza sonochimică a particulelor miez-înveliș sau funcționalizarea nanoparticulelor de siliciu.

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

Aflați mai multe despre ultrasonicatoarele industriale Hielscher pentru procesarea nanomaterialelor în fabricarea bateriilor!

Mai jos puteți găsi diverse aplicații ale procesării nanomaterialelor bazate pe ultrasunete:

Sinteza nanocompozitelor cu ultrasunete

Sinteza cu ultrasunete a sistemului grafenă–SnO₂ sub formă de nanocompozit: Echipa de cercetare Deosakar et al. (2013) a dezvoltat o rută asistată de ultrasunete pentru prepararea unui nanocompozit grafenă–SnO2. Aceștia au investigat efectele cavitaționale generate de ultrasunetele de mare putere în timpul sintezei compozitului grafenă–SnO2. Pentru sonicare, au utilizat un dispozitiv Hielscher Ultrasonics. Rezultatele demonstrează o încărcare fină și uniformă, îmbunătățită prin ultrasunete, a SnO₂ pe nanofoile de grafenă prin reacția de oxidare–reducere dintre oxidul de grafenă și SnCl₂·2H₂O, comparativ cu metodele de sinteză convenționale.

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

Nanocompozitul SnO₂–grafenă a fost preparat cu succes printr-o rută nouă și eficientă de sinteză chimică în soluție, asistată de ultrasunete, iar oxidul de grafenă a fost redus de SnCl₂ la foi de grafenă în prezența HCl. Analiza TEM arată încărcarea uniformă și fină a SnO₂ în nanofoile de grafenă. S-a demonstrat că efectele cavitaționale produse prin utilizarea iradierii cu ultrasunete intensifică încărcarea fină și uniformă a SnO2 pe nanofoile de grafenă în timpul reacției de oxidare–reducere dintre oxidul de grafenă și SnCl₂·2H₂O. Încărcarea fină și uniformă intensificată a nanoparticulelor de SnO2 (3–5 nm) pe nanofoile de grafenă redusă este atribuită nucleației și transferului de solut îmbunătățite datorită efectului cavitațional indus de iradierea cu ultrasunete. Încărcarea fină și uniformă a nanoparticulelor de SnO₂ pe nanofoile de grafenă a fost confirmată și prin analiza TEM. Este demonstrată aplicarea nanocompozitului sintetizat SnO₂–grafenă ca material anodic în bateriile litiu-ion. Capacitatea bateriei Li bazate pe nanocompozitul SnO₂–grafenă este stabilă pentru aproximativ 120 de cicluri, iar bateria a putut repeta reacția stabilă de încărcare–descărcare. (Deosakar et al., 2013)

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

Dispersarea cu ultrasunete a nanoparticulelor în pastele pentru baterii

Dispersarea componentelor de electrod: Waser et al. (2011) au preparat electrozi cu fosfat de litiu și fier (LiFePO₄). Pasta conținea LiFePO4 ca material activ, negru de fum ca aditiv conductor electric, iar polifluorura de viniliden dizolvată în N-metilpirolidinonă (NMP) a fost utilizată ca liant. Raportul masic (după uscare) AM/CB/PVDF în electrozi a fost 83/8,5/8,5. Pentru prepararea suspensiilor, toți constituenții electrodului au fost amestecați în NMP cu un agitator cu ultrasunete (UP200H, Hielscher Ultrasonics) timp de 2 min la 200 W și 24 kHz.
Conductivitatea electrică scăzută și difuzia lentă a ionilor de Li de-a lungul canalelor unidimensionale ale LiFePO₄ pot fi depășite prin încorporarea LiFePO₄ într-o matrice conductoare, de exemplu negru de fum. Deoarece particulele de dimensiuni nanometrice și structurile de particule miez-înveliș îmbunătățesc conductivitatea electrică, tehnologia de dispersare cu ultrasunete și sinteza sonochimică a particulelor miez-înveliș permit producerea de nanocompozite superioare pentru aplicații în baterii.

Dispersarea fosfatului de litiu și fier: Echipa de cercetare a lui Hagberg (Hagberg et al., 2018) a utilizat ultrasonicatorul UP100H pentru procedura de preparare a electrodului pozitiv structural constând din fibre de carbon acoperite cu fosfat de litiu și fier (LFP). Fibrele de carbon sunt fascicule continue, autoportante, care acționează drept colectoare de curent și vor asigura rigiditate și rezistență mecanică. Pentru o performanță optimă, fibrele sunt acoperite individual, de exemplu prin depunere electroforetică.
Au fost testate diferite rapoarte de greutate ale amestecurilor formate din LFP, CB și PVDF. Aceste amestecuri au fost depuse pe fibre de carbon. Deoarece, din cauza distribuției neomogene, compoziția băii de acoperire ar putea diferi de compoziția acoperirii în sine, se utilizează o agitare riguroasă prin ultrasonicare pentru a minimiza diferența.
Aceștia au observat că particulele sunt relativ bine dispersate în întreaga acoperire, lucru atribuit utilizării surfactantului (Triton X-100) și etapei de ultrasonicare anterioare depunerii electroforetice.

Secțiune transversală și imagini SEM la mărire mare ale fibrelor de carbon acoperite prin EPD. Amestecul de LFP, CB și PVDF a fost omogenizat cu ultrasunete utilizând ultrasonicatorul UP100H. Măriri: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studiu și imagine: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersarea LiNi_0.5Mn_1.5O₄ ca material catodic compozit:
Vidal et al. (2013) au investigat influența etapelor de procesare, precum sonicarea, presiunea și compoziția materialului, pentru catozii compoziți LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Electrozi compoziți pozitivi având spinelul LiNi_0.5 Mn_1.5O4 ca material activ, un amestec de grafit și negru de fum pentru creșterea conductivității electrice a electrodului și fie polifluorură de viniliden (PVDF), fie un amestec de PVDF cu o cantitate mică de Teflon® (1 wt%) pentru construirea electrodului. Aceștia au fost procesați prin turnare în bandă (tape casting) pe o folie de aluminiu drept colector de curent, utilizând tehnica doctor blade. În plus, amestecurile de componente au fost fie sonicate, fie nu, iar electrozii procesați au fost fie compactați, fie nu, prin presare la rece ulterioară. Au fost testate două formulări:
Formularea A (fără Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% negru de fum; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
Formularea B (cu Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% negru de fum; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
În ambele cazuri, componentele au fost amestecate și dispersate în N-metilpirolidinonă (NMP). Spinelul LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), împreună cu celelalte componente în procentele menționate deja stabilite, a fost dispersat în 11 ml de NMP. În unele cazuri particulare, amestecul a fost sonicat timp de 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 h, adică fără nicio sonicare. Tratamentul de sonicare favorizează o dispersie omogenă a componentelor electrodului, iar electrodul LNMS obținut arată mai uniform.
Au fost preparați și studiați electrozi compoziți cu greutate ridicată, de până la 17mg/cm2, ca electrozi pozitivi pentru bateriile litiu-ion. Adăugarea de Teflon® și aplicarea tratamentului de sonicare conduc la electrozi uniformi, bine aderați la folia de aluminiu. Ambii parametri contribuie la îmbunătățirea capacității extrase la rate ridicate (5C). Compactarea suplimentară a ansamblurilor electrod/aluminiu îmbunătățește remarcabil capabilitatea de rată a electrodului. La rata 5C, se constată retenții remarcabile ale capacității între 80% și 90% pentru electrozii cu greutăți în intervalul 3–17mg/cm², având Teflon® în formulare, preparați după sonicarea amestecurilor de componente și compactați la 2 tone/cm².
În concluzie, electrozii având 1 wt% Teflon® în formulare, cu amestecurile de componente supuse unui tratament de sonicare, compactați la 2 tone/cm2 și cu greutăți în intervalul 2,7–17 mg/cm2 au prezentat o capabilitate de rată remarcabilă. 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 cu ultrasunete de înaltă performanță pentru producția de baterii

Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie echipamente cu ultrasunete de mare putere și înaltă performanță, care sunt utilizate pentru procesarea materialelor de catod, anod și electrolit destinate bateriilor litiu-ion (LIB), bateriilor sodiu-ion (NIB) și altor celule de baterie. Sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt utilizate pentru sinteza nanocompozitelor, funcționalizarea nanoparticulelor și dispersarea nanomaterialelor în suspensii omogene și stabile.
Oferind un portofoliu de procesoare cu ultrasunete de la scară de laborator până la scară complet industrială, Hielscher este liderul de piață pentru dispersoarele cu ultrasunete de înaltă performanță. Activând de peste 30 de ani în domeniul sintezei nanomaterialelor și al reducerii dimensiunii particulelor, Hielscher Ultrasonics are o experiență vastă în procesarea nanoparticulelor cu ultrasunete și oferă cele mai puternice și fiabile procesoare cu ultrasunete de pe piață. Ingineria germană asigură tehnologie de ultimă generație și calitate robustă.
Tehnologia avansată, performanța ridicată și software-ul sofisticat transformă ultrasonicatoarele Hielscher în cai de povară fiabili în procesul dumneavoastră de fabricare a electrozilor. Toate sistemele cu ultrasunete sunt fabricate la sediul central din Teltow, Germania, testate din punct de vedere al calității și robusteții și apoi distribuite din Germania în întreaga lume.
Hardware-ul sofisticat și software-ul inteligent ale ultrasonicatoarelor Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile, precum și ușurința în utilizare. Ultrasonicatoarele Hielscher sunt robuste și constante în performanță, ceea ce permite instalarea lor în medii solicitante și operarea lor în condiții de exploatare intensă. Setările operaționale pot fi accesate și reglate cu ușurință prin meniul intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul ecranului tactil digital color și al controlului de la distanță prin browser. Prin urmare, toate condițiile de procesare, precum 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 sonicările anterioare și să optimizați sinteza, funcționalizarea și dispersarea nanomaterialelor și compozitelor până la cea mai ridicată eficiență.
Sistemele Hielscher Ultrasonics sunt utilizate la nivel mondial pentru sinteza sonochimică a nanomaterialelor și s-au dovedit fiabile pentru dispersarea nanoparticulelor în suspensii coloidale stabile. Ultrasonicatoarele industriale Hielscher pot funcționa continuu la amplitudini ridicate și sunt construite pentru funcționare 24/7. Amplitudini de până la 200µm pot fi generate cu ușurință în mod continuu cu sonotrode standard (sonde cu ultrasunete / sonotrode). Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate.
Procesoarele cu ultrasunete Hielscher pentru sinteză sonochimică, funcționalizare, nanostructurare și dezaglomerare sunt deja instalate la nivel mondial la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta etapa dumneavoastră de proces care implică nanomateriale pentru fabricarea bateriilor! Personalul nostru cu vastă experiență vă va împărtăși cu plăcere mai multe informații despre rezultatele superioare de dispersare, sistemele cu ultrasunete de înaltă performanță și prețuri!
Cu avantajul ultrasonicării, producția dumneavoastră 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 ultrasonicatoarelor noastre: