Сонохимический синтез электродных материалов для производства аккумуляторов

В производстве высокопроизводительных аккумуляторных элементов наноструктурированные материалы и нанокомпозиты играют важную роль, обеспечивая превосходную электропроводность, более высокую плотность хранения, высокую емкость и надежность. Для того, чтобы достичь полной функциональности наноматериалов, наночастицы должны быть индивидуально диспергированы или отслоены, и могут потребоваться дальнейшие этапы обработки, такие как функционализация. Ультразвуковая нанообработка является превосходным, эффективным и надежным методом производства высокоэффективных наноматериалов и нанокомпозитов для передового производства аккумуляторов.

Ультразвуковое диспергирование электрохимически активных веществ в электродных суспензиях

В качестве инновационных электродных материалов используются наноматериалы, что позволило значительно повысить эксплуатационные характеристики аккумуляторных батарей. Преодоление агломерации, агрегации и разделения фаз имеет решающее значение для подготовки суспензий к производству электродов, особенно когда речь идет о наноразмерных материалах. Наноматериалы увеличивают площадь активной поверхности электродов аккумуляторов, что позволяет им поглощать больше энергии во время циклов зарядки и увеличивать общую емкость хранения энергии. Для того, чтобы в полной мере использовать преимущества наноматериалов, эти наноструктурированные частицы должны быть распутаны и распределены в виде отдельных частиц в электродной суспензии. Технология ультразвукового диспергирования обеспечивает сфокусированные усилия большого сдвига (сономечные) силы, а также сонохимическую энергию, что приводит к смешиванию на атомном уровне и комплексообразованию наноразмерных материалов.
Наночастицы, такие как графен, углеродные нанотрубки (УНТ), металлы и редкоземельные минералы, должны быть равномерно диспергированы в стабильную суспензию для получения высокофункциональных электродных материалов.
Например, хорошо известно, что графен и УНТ повышают производительность аккумуляторных элементов, но необходимо преодолеть агломерацию частиц. Это означает, что абсолютно необходим высокоэффективный метод диспергирования, способный обрабатывать наноматериалы и, возможно, высокую вязкость. Ультразвуковые аппараты зондового типа являются высокоэффективным методом диспергирования, который может надежно и эффективно обрабатывать наноматериалы даже при высоких твердых нагрузках.

Почему ультразвуковая обработка является лучшим методом обработки наноматериалов?

Когда другие методы диспергирования и смешивания, такие как смесители с большими сдвиговыми усилиями, бисерные мельницы или гомогенизаторы высокого давления, достигают своих возможностей, ультразвуковая обработка является методом, который выделяется для обработки микронных и наночастиц.
Мощный ультразвук и акустическая кавитация, генерируемая ультразвуком, создают уникальные энергетические условия и экстремальную плотность энергии, что позволяет деагломерировать или отслаивать наноматериалы, функционализировать их, синтезировать наноструктуры в процессах «снизу вверх» и получать высокоэффективные нанокомпозиты.
Поскольку ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно контролировать наиболее важные параметры ультразвуковой обработки, такие как интенсивность (Вт/мл), амплитуда (мкм), температура (ºC/ºF) и давление (бар), условия обработки могут быть индивидуально настроены на оптимальные настройки для каждого материала и процесса. Таким образом, ультразвуковые диспергаторы очень универсальны и могут использоваться для различных применений, например, диспергирования УНТ, отслаивания графена, сонохимического синтеза частиц оболочки ядра или функционализации кремниевых наночастиц.

СЭМ-микрофотографии сонохимически полученного Na0,44MnO2 кальцинированием при 900°С в течение 2 ч.
(Исследование и фото: ©Shinde et al., 2019)

Узнайте больше о промышленных ультразвуковых аппаратах Hielscher для обработки наноматериалов в производстве аккумуляторов!

Ниже приведены различные области применения обработки наноматериалов с помощью ультразвука:

Ультразвуковой синтез нанокомпозитов

Ультразвуковой синтез графен–SnO₂ Нанокомпозиты: Исследовательская группа Deosakar et al. (2013) разработала ультразвуковой способ получения нанокомпозита графен-SnO2. Они исследовали кавитационные эффекты, создаваемые мощным ультразвуком при синтезе композита графен–SnO2. Для ультразвуковой обработки они использовали ультразвуковой аппарат Hielscher. Полученные результаты демонстрируют улучшенное ультразвуковым излучением тонкое и равномерное нагружение SnO₂ на нанолистах графена реакцией окисления-восстановления между оксидом графена и SnCl₂·2Ч₂O по сравнению с традиционными методами синтеза.

Диаграмма, демонстрирующая процесс образования оксида графена и SnO₂–графеновый нанокомпозит.
(Исследование и фотографии: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–Графеновый нанокомпозит был успешно получен с помощью нового и эффективного способа химического синтеза на основе раствора с помощью ультразвука, а оксид графена был восстановлен с помощью SnCl₂ к графеновым листам в присутствии HCl. ПЭМ-анализ показывает равномерное и тонкое нагружение SnO₂ в графеновых нанолистах. Показано, что кавитационные эффекты, возникающие при использовании ультразвукового облучения, усиливают тонкую и равномерную нагрузку SnO2 на нанолисты графена в ходе окислительно-восстановительной реакции между оксидом графена и SnCl₂·2Ч₂O. Усиленная тонкая и равномерная нагрузка наночастиц SnO2 (3–5 нм) на восстановленные нанолисты графена объясняется усилением зародышеобразования и переноса растворенных веществ за счет кавитационного эффекта, индуцированного ультразвуковым облучением. Тонкая и равномерная загрузка SnO₂ Наночастицы на графеновых нанолистах также были подтверждены методом ПЭМ-анализа. Применение синтезированного SnO₂–Продемонстрирован нанокомпозит графена в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторах. Емкость SnO₂–Литий-ионный аккумулятор на основе графенового нанокомпозита стабилен в течение примерно 120 циклов, и батарея может повторять стабильную реакцию заряда-разряда. (Деосакар и др., 2013)

ПЭМ-изображение SnO₂–графеновый нанокомпозит, полученный сонохимическим методом. Полоса показывает на (A) 10 нм, на (B) на 5 нм.
(Исследование и фотографии: ©Deosakar et al., 2013)

Ультразвуковое диспергирование наночастиц в суспензиях аккумуляторов

Дисперсия компонентов электрода: Waser et al. (2011) препарировали электроды с литий-железо-фосфатом (LiFePO₄). Суспензия содержала LiFePO4 в качестве активного вещества, технический углерод в качестве электропроводящей добавки, в качестве связующего использовали поливинилиденфторид, растворенный в N-метилпирролидиноне (NMP). Отношение массы (после сушки) АМ/КБ/ПВДФ в электродах составило 83/8,5/8,5. Для приготовления суспензий все составляющие электродов смешивали в NMP с помощью ультразвуковой мешалки (UP200H, Hielscher Ultrasonics) в течение 2 мин при 200 Вт и 24 кГц.
Низкая электропроводность и медленная диффузия ионов лития вдоль одномерных каналов LiFePO₄ может быть преодолено путем встраивания LiFePO₄ в проводящей матрице, например, технический углерод. Поскольку наноразмерные частицы и структуры частиц сердцевины-оболочки улучшают электропроводность, технология ультразвуковой дисперсии и сонохимический синтез частиц сердцевины-оболочки позволяют производить превосходные нанокомпозиты для аккумуляторных батарей.

Дисперсия литий-железо-фосфата: Исследовательская группа Хагберга (Hagberg et al., 2018) использовала ультразвуковой аппарат UP100H для процедуры структурного положительного электрода, состоящего из углеродных волокон, покрытых литий-железо-фосфатом (LFP). Углеродные волокна представляют собой непрерывные, автономные жгуты, действующие как токосъемники и обеспечивающие механическую жесткость и прочность. Для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик волокна покрываются по отдельности, например, с помощью электрофоретического осаждения.
Были испытаны различные весовые соотношения смесей, состоящих из LFP, CB и PVDF. Эти смеси были покрыты углеродными волокнами. Поскольку неоднородное распределение в композициях ванны покрытия может отличаться от состава в самом покрытии, для минимизации разницы используется тщательное перемешивание с помощью ультразвука.
Они отметили, что частицы относительно хорошо диспергируются по всему покрытию, что объясняется использованием поверхностно-активного вещества (Triton X-100) и этапом ультразвуковой обработки перед электрофоретическим осаждением.

Поперечное сечение и большое увеличение изображений углеродных волокон с покрытием EPD. Смесь LFP, CB и PVDF была гомогенизирована ультразвуком с помощью ультразвуковой аппарат UP100H. Увеличения: а) 0,8 кх, б) 0,8 кх, в) 1,5 кх, г) 30 кх.
(Исследование и фото: ©Hagberg et al., 2018)

Дисперсия LiNi_0.5Мн_1.5O₄ Композитный катодный материал:
Vidal et al. (2013) исследовали влияние таких этапов обработки, как ультразвуковая обработка, давление и состав материала на LiNi_0.5Мн_1.5O₄композитные катоды.
Положительные композитные электроды с LiNi_0.5 Мн_1.5Шпинель O4 в качестве активного материала, смесь графита и технического углерода для повышения электропроводности электрода и либо поливинилденефторид (PVDF), либо смесь PVDF с небольшим количеством тефлона® (1 мас.%) для наращивания электрода. Они были обработаны путем литья ленты на алюминиевую фольгу в качестве токосъемника с использованием техники ракельного лезвия. Кроме того, смеси компонентов либо подвергались обработке ультразвуком, либо нет, а обработанные электроды уплотнялись или не уплотнялись при последующем холодном прессовании. Были опробованы две рецептуры:
Формула А (без тефлона®): 78 мас.% LiNi_0.5 Мн_1.5О4; 7,5 мас.% технического углерода; 2,5 мас.% графита; 12 мас.% ПВДФ
B-состав (с тефлоном®): 78 мас.% LiNi0_0.5Мн_1.5О4; 7,5 мас.% технического углерода; 2,5 мас.% графита; 11 мас.% PVDF; 1 мас.% тефлона®
В обоих случаях компоненты смешивали и диспергировали в N-метилпирролидиноне (NMP). LiNi_0.5 Мн_1.5Шпинель О4 (2 г) вместе с другими компонентами в уже указанных процентных соотношении диспергировали в 11 мл NMP. В некоторых конкретных случаях смесь подвергали ультразвуковой обработке в течение 25 мин, а затем перемешивали при комнатной температуре в течение 48 ч. В некоторых других смесь просто перемешивали при комнатной температуре в течение 48 ч, т.е. без всякой обработки ультразвуком. Обработка ультразвуком способствует однородному диспергированию компонентов электрода и полученный LNMS-электрод выглядит более однородным.
Композитные электроды с большим весом, до 17 мг/см2, были подготовлены и исследованы в качестве положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. Добавление тефлона® и применение ультразвуковой обработки приводят к получению однородных электродов, которые хорошо прилегают к алюминиевой фольге. Оба параметра способствуют улучшению емкости, сливаемой при высоких скоростях (5С). Дополнительное уплотнение электродов/алюминиевых сборок значительно повышает производительность электродов. При норме 5C наблюдается значительное сохранение емкости от 80% до 90% для электродов с весом в диапазоне 3-17 мг/см², содержащие тефлон® в своей формуле, получают после ультразвука составляющих их смесей и уплотняют до 2 тонн/см².
Таким образом, электроды, содержащие в своем составе 1 мас.% тефлона®, их составные смеси, подвергнутые обработке ультразвуком, уплотненные до 2 тонн/см2 и с массой в диапазоне 2,7-17 мг/см2, показали замечательную скоростную способность. Даже при высоком токе 5 °C нормализованная разрядная способность составляла от 80% до 90% для всех этих электродов. (ср. Vidal et al., 2013)

Высокопроизводительные ультразвуковые диспергаторы для производства аккумуляторов

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет мощное и высокопроизводительное ультразвуковое оборудование, которое используется для обработки катодных, анодных и электролитных материалов для использования в литий-ионных батареях (LIB), натрий-ионных батареях (NIB) и других аккумуляторных элементах. Ультразвуковые системы Hielscher используются для синтеза нанокомпозитов, функционализации наночастиц и диспергирования наноматериалов в однородные, стабильные суспензии.
Предлагая широкий ассортимент ультразвуковых процессоров от лабораторных до полностью промышленных масштабов, Hielscher является лидером на рынке высокопроизводительных ультразвуковых диспергаторов. Работая более 30 лет в области синтеза наноматериалов и уменьшения размера, компания Hielscher Ultrasonics имеет большой опыт в ультразвуковой обработке наночастиц и предлагает самые мощные и надежные ультразвуковые процессоры на рынке. Немецкое машиностроение предлагает самые современные технологии и надежное качество.
Передовые технологии, высокая производительность и сложное программное обеспечение превращают ультразвуковые аппараты Hielscher в надежных рабочих лошадок в вашем процессе производства электродов. Все ультразвуковые системы производятся в головном офисе в Тельтове, Германия, проверяются на качество и надежность, а затем распространяются из Германии по всему миру.
Сложное аппаратное обеспечение и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны, чтобы гарантировать надежную работу, воспроизводимые результаты, а также удобство для пользователя. Ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются прочностью и стабильной производительностью, что позволяет устанавливать их в сложных условиях и эксплуатировать в тяжелых условиях. Доступ к рабочим настройкам и набор осуществляется через интуитивно понятное меню, доступ к которому осуществляется с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея и пульта дистанционного управления в браузере. Таким образом, все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет пересмотреть и сравнить предыдущие прогоны ультразвука и оптимизировать синтез, функционализацию и диспергирование наноматериалов и композитов с максимальной эффективностью.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для сонохимического синтеза наноматериалов и доказали свою надежность для диспергирования наночастиц в стабильные коллоидные суспензии. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут непрерывно работать с высокой амплитудой и предназначены для работы в режиме 24/7. Амплитуды до 200 μм могут быть легко непрерывно сгенерированы с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для сонохимического синтеза, функционализации, наноструктурирования и деагломерации уже установлены во всем мире в промышленных масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить этап технологического процесса, включающий наноматериалы для производства аккумуляторов! Наш опытный персонал будет рад поделиться дополнительной информацией о превосходных результатах диспергирования, высокопроизводительных ультразвуковых системах и ценах!
Благодаря преимуществам ультразвуковой обработки, ваше передовое производство электродов и электролита будет отличаться эффективностью, простотой и низкой стоимостью по сравнению с другими производителями электродов!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: