Sonochemická syntéza elektródových materiálov na výrobu batérií

Pri výrobe vysokovýkonných batériových článkov zohrávajú dôležitú úlohu nanoštruktúrované materiály a nanokompozity, ktoré poskytujú vynikajúcu elektrickú vodivosť, vyššiu hustotu skladovania, vysokú kapacitu a spoľahlivosť. Na dosiahnutie plnej funkčnosti nanomateriálov sa nanočastice musia jednotlivo rozptýliť alebo odlupovať a môžu si vyžadovať ďalšie kroky spracovania, ako je funkcionalizácia. Ultrazvukové nanospracovanie je vynikajúca, účinná a spoľahlivá technika na výrobu vysokovýkonných nanomateriálov a nanokompozitov pre pokročilú výrobu batérií.

Ultrazvuková disperzia elektrochemicky aktívnych materiálov v elektródových suspenziách

Nanomateriály sa používajú ako inovatívne elektródové materiály, čo viedlo k výraznému zvýšeniu výkonu nabíjateľných batérií. Prekonanie aglomerácie, agregácie a separácie fáz je rozhodujúce pre prípravu kalov na výrobu elektród, najmä ak ide o nanomateriály. Nanomateriály zväčšujú aktívnu plochu elektród batérií, čo im umožňuje absorbovať viac energie počas nabíjacích cyklov a zvýšiť ich celkovú kapacitu skladovania energie. Aby sa v plnej miere využila výhoda nanomateriálov, tieto nanoštruktúrované častice sa musia rozmotať a distribuovať ako samostatné častice v elektródovej suspenzii. Technológia ultrazvukovej dispergácie poskytuje sústredené sily s vysokým šmykom (sonomechnic), ako aj sonochemickú energiu, čo vedie k miešaniu atómovej hladiny a komplexácii nanomateriálov.
Nanočastice, ako je grafén, uhlíkové nanotrubice (CNT), kovy a minerály vzácnych zemín, musia byť rovnomerne rozptýlené do stabilnej suspenzie, aby sa získali vysoko funkčné materiály elektród.
Napríklad grafén a CNT sú dobre známe tým, že zvyšujú výkon batériových článkov, ale aglomeráciu častíc je potrebné prekonať. To znamená, že je bezpodmienečne potrebná vysokovýkonná disperzná technika schopná spracovávať nanomateriály a prípadne vysokú viskozitu. Ultrazvukové ultrazvuky sondového typu sú vysokovýkonnou dispergujúcou metódou, ktorá dokáže spoľahlivo a efektívne spracovať nanomateriály aj pri vysokom zaťažení pevnými látkami.

Prečo je sonikácia vynikajúcou technikou na spracovanie nanomateriálov?

Keď iné dispergovacie a miešacie techniky, ako sú mixéry s vysokým strihom, guľôčkové mlyny alebo vysokotlakové homogenizátory, ultrazvuk je metóda, ktorá vyniká spracovaním mikrónov a nanočastíc.
Vysokovýkonný ultrazvuk a ultrazvukom generovaná akustická kavitácia poskytujú jedinečné energetické podmienky a extrémnu hustotu energie, ktorá umožňuje deaglomeráciu alebo exfoliáciu nanomateriálov, ich funkcionalizáciu, syntetizáciu nanoštruktúr v procesoch zdola nahor a prípravu vysokovýkonných nanokompozitov.
Keďže ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú presnú kontrolu najdôležitejších parametrov ultrazvukového spracovania, ako je intenzita (Ws/ml), amplitúda (μm), teplota (ºC/ºF) a tlak (bar), podmienky spracovania je možné individuálne vyladiť na optimálne nastavenia pre každý materiál a proces. Ultrazvukové dispergátory sú preto veľmi univerzálne a možno ich použiť na mnohé aplikácie, napr. CNT disperziu, exfoliáciu grafénu, sonochemickú syntézu častíc jadrového plášťa alebo funkcionalizáciu kremíkových nanočastíc.

SEM mikrosnímky sonochemicky pripraveného Na0,44MnO2 kalcináciou pri 900 °C počas 2 hodín.
(Štúdia a obrázok: ©Shinde et al., 2019)

Zistite viac o priemyselných ultrazvukoch Hielscher na spracovanie nanomateriálov pri výrobe batérií!

Nižšie nájdete rôzne ultrazvukom riadené aplikácie spracovania nanomateriálov:

Ultrazvuková syntéza nanokompozitov

Ultrazvuková syntéza grafénu–SnO₂ nanokompozit: Výskumný tím Deosakar et al. (2013) vyvinul ultrazvukom asistovanú cestu na prípravu nanokompozitu grafén-SnO2. Skúmali kavitačné účinky generované vysokovýkonným ultrazvukom počas syntézy kompozitu grafén-SnO2. Na sonikáciu použili zariadenie Hielscher Ultrasonics. Výsledky demonštrujú ultrazvukovo vylepšené jemné a rovnomerné zaťaženie SnO₂ na grafénových nanovrstvách oxidačno-redukčnou reakciou medzi oxidom grafénu a SnCl₂·2H₂O v porovnaní s konvenčnými metódami syntézy.

Tabuľka znázorňujúca proces tvorby oxidu grafénu a SnO₂–grafénový nanokompozit.
(Štúdia a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafénový nanokompozit bol úspešne pripravený novou a účinnou cestou chemickej syntézy založenej na ultrazvuku a oxid grafénu bol redukovaný SnCl₂ na grafénové dosky v prítomnosti HCl. Analýza TEM ukazuje rovnomerné a jemné zaťaženie SnO₂ v grafénových nanolistoch. Ukázalo sa, že kavitačné účinky vytvorené použitím ultrazvukového ožarovania zintenzívňujú jemné a rovnomerné zaťaženie SnO2 na grafénových nanovrstvách počas oxidačno-redukčnej reakcie medzi oxidovým oxidom a SnCl₂·2H₂O. Zintenzívnené jemné a rovnomerné zaťaženie nanočastíc SnO2 (3–5 nm) na redukovaných grafénových nanovrstvách sa pripisuje zvýšenej nukleácii a prenosu rozpustených látok v dôsledku kavitačného účinku vyvolaného ultrazvukovým ožarovaním. Jemné a rovnomerné zaťaženie SnO₂ nanočastice na grafénových nanovrstvách boli potvrdené aj z analýzy TEM. Aplikácia syntetizovaného SnO₂–grafénový nanokompozit ako anódový materiál v lítium-iónových batériách. Kapacita SnO₂– Li-batéria na báze grafénového nanokompozitu je stabilná približne 120 cyklov a batéria by mohla opakovať stabilnú reakciu nabíjania a vybíjania. (Deosakar a kol., 2013)

TEM obrázok SnO₂–grafénový nanokompozit pripravený sonochemickou metódou. Bar označuje pri (A) 10 nm, pri (B) pri 5 nm.
(Štúdia a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvuková disperzia nanočastíc do kalov batérií

Rozptyl komponentov electode: Waser et al. (2011) pripravili elektródy s fosforečnanom lítno-železitým (LiFePO₄). Suspenzia obsahovala LiFePO4 ako aktívny materiál, sadze ako elektricky vodivú prísadu, ako spojivo bol použitý polyvinylidénfluorid rozpustený v N-metylpyrrolidinone (NMP). Pomer hmotnosti (po vysušení) AM/CB/PVDF v elektródach bol 83/8,5/8,5. Na prípravu suspenzií sa všetky zložky elektródy zmiešali v NMP s ultrazvukovým miešadlom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) na 2 minúty pri 200 W a 24 kHz.
Nízka elektrická vodivosť a pomalá difúzia lítium-iónov pozdĺž jednorozmerných kanálov LiFePO₄ možno prekonať vložením LiFePO₄ vo vodivej matrici, napr. sadze. Keďže nanočastice a štruktúry častíc jadro-obal zlepšujú elektrickú vodivosť, technológia ultrazvukovej disperzie a sonochemická syntéza častíc jadra-obal umožňujú vyrábať vynikajúce nanokompozity pre aplikácie batérií.

Disperzia fosforečnanu lítno-železitého: Výskumný tím Hagberga (Hagberg et al., 2018) použil ultrazvuk UP100H pre postup štrukturálnej kladnej elektródy pozostávajúcej z uhlíkových vlákien potiahnutých lítium-železofosfátom (LFP). Uhlíkové vlákna sú súvislé, samostatne stojace vleky, ktoré fungujú ako zberače prúdu a poskytujú mechanickú tuhosť a pevnosť. Pre optimálny výkon sú vlákna potiahnuté jednotlivo, napr. pomocou elektroforetického nanášania.
Testovali sa rôzne hmotnostné pomery zmesí pozostávajúcich z LFP, CB a PVDF. Tieto zmesi boli potiahnuté uhlíkovými vláknami. Pretože nehomogénna distribúcia v kompozíciách náterového kúpeľa sa môže líšiť od zloženia v samotnom povlaku, na minimalizáciu rozdielu sa používa dôsledné miešanie ultrazvukom.
Poznamenali, že častice sú relatívne dobre rozptýlené v celom povlaku, čo sa pripisuje použitiu povrchovo aktívnej látky (Triton X-100) a ultrazvukovému kroku pred elektroforetickým nanášaním.

Prierez a obrázky SEM s veľkým zväčšením uhlíkových vlákien potiahnutých EPD. Zmes LFP, CB a PVDF bola ultrazvukovo homogenizovaná pomocou ultrazvuk UP100H. Zväčšenia: a) 0,8 kx, b) 0,8 kx, c) 1,5 kx, d) 30 kx.
(Štúdia a obrázok: ©Hagberg et al., 2018)

Rozptyl LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Kompozitný katódový materiál:
Vidal et al. (2013) skúmali vplyv krokov spracovania, ako je sonikacia, tlak a zloženie materiálu pre LiNi_0.5Mn_1.5O₄kompozitné katódy.
Kladné kompozitné elektródy s LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel ako aktívny materiál, zmes grafitu a sadzí na zvýšenie elektrickej vodivosti elektródy a buď polyvinyldenfluorid (PVDF) alebo zmes PVDF s malým množstvom teflónu® (1 hm.) na vytvorenie elektródy. Boli spracované páskovým liatím na hliníkovú fóliu ako zberač prúdu pomocou techniky doctor blade. Okrem toho boli zmesi komponentov buď sonikované alebo nie, a spracované elektródy boli zhutnené alebo nie pri následnom lisovaní za studena. Boli testované dve formulácie:
A-zloženie (bez teflónu®): 78 hm. % LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 hm. % sadzí; 2,5 hm. % grafitu; 12 hm. % PVDF
Formulácia B (s teflónom®): 78 % hmotnosti LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 % sadzí; 2,5 hm. % grafitu; 11 hm. % PVDF; 1 hm. % teflónu®
V oboch prípadoch boli zložky zmiešané a rozptýlené v N-metylpyrolidinóne (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2 g) spolu s ostatnými zložkami v už uvedených percentách bol rozptýlený v 11 ml NMP. V niektorých konkrétnych prípadoch bola zmes sonikovaná 25 minút a potom miešaná pri izbovej teplote 48 hodín. V niektorých iných sa zmes miešala pri izbovej teplote 48 hodín, teda bez sonikácie. Sonikácia podporuje homogénnu disperziu komponentov elektródy a získaná elektróda LNMS vyzerá rovnomernejšie.
Kompozitné elektródy s vysokou hmotnosťou do 17 mg/cm2 boli pripravené a študované ako kladné elektródy pre lítium-iónové batérie. Pridanie teflónu® a aplikácia sonikácie vedú k rovnomerným elektródam, ktoré sú dobre priľnuté k hliníkovej fólii. Oba parametre prispievajú k zlepšeniu kapacity vypúšťanej vysokou rýchlosťou (5 °C). Dodatočné zhutnenie zostáv elektróda/hliník výrazne zvyšuje možnosti rýchlosti elektród. Pri rýchlosti 5C sa pre elektródy so závažiami v rozmedzí 3-17 mg/cm zistili pozoruhodné zachovanie kapacity medzi 80 % a 90 %², ktoré majú vo svojom zložení teflón®, pripravené po sonikácii ich zložiek a zhutnené pod 2 tony/cm².
Stručne povedané, elektródy s 1 hmotnostným % teflónu® vo svojom zložení, ich zmesi zložiek podrobené sonikácii, zhutnené pri 2 tonách/cm2 a s hmotnosťou v rozmedzí 2,7-17 mg/cm2 preukázali pozoruhodnú rýchlosť. Aj pri vysokom prúde 5 ° C bola normalizovaná vybíjacia kapacita pre všetky tieto elektródy medzi 80 % a 90 %. (porovnaj Vidal et al., 2013)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory na výrobu batérií

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné a vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia, ktoré sa používajú na spracovanie katódových, anódových a elektrolytových materiálov na použitie v lítium-iónových batériách (LIB), sodíkovo-iónových batériách (NIB) a iných batériových článkoch. Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na syntézu nanokompozitov, funkcionalizáciu nanočastíc a rozptýlenie nanomateriálov do homogénnych, stabilných suspenzií.
Spoločnosť Hielscher ponúka portfólio od laboratórnych až po plne priemyselné ultrazvukové procesory a je lídrom na trhu s vysokovýkonnými ultrazvukovými dispergátormi. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics, ktorá pracuje už viac ako 30 rokov v oblasti syntézy nanomateriálov a zmenšovania veľkosti, má rozsiahle skúsenosti so spracovaním ultrazvukových nanočastíc a ponúka najvýkonnejšie a najspoľahlivejšie ultrazvukové procesory na trhu. Nemecké inžinierstvo poskytuje najmodernejšiu technológiu a robustnú kvalitu.
Pokročilá technológia, vysoko výkonný a sofistikovaný softvér premenia ultrazvukové prístroje Hielscher na spoľahlivých pracovných koní vo vašom procese výroby elektród. Všetky ultrazvukové systémy sa vyrábajú v centrále v nemeckom Teltowe, testujú sa na kvalitu a robustnosť a následne sa distribuujú z Nemecka do celého sveta.
Sofistikovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a užívateľskú prívetivosť. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a majú konzistentný výkon, čo umožňuje ich inštaláciu do náročných prostredí a ich prevádzku v náročných podmienkach. Prevádzkové nastavenia sú ľahko prístupné a vytočené pomocou intuitívneho menu, ku ktorému je možné pristupovať prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja a diaľkového ovládača prehliadača. Preto sa všetky podmienky spracovania, ako je čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu. To vám umožní revidovať a porovnávať predchádzajúce sonikácie a optimalizovať syntézu, funkcionalizáciu a disperziu nanomateriálov a kompozitov s najvyššou účinnosťou.
Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na celom svete na sonochemickú syntézu nanomateriálov a sú preukázateľne spoľahlivé na disperziu nanočastíc do stabilných koloidných suspenzií. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher môžu nepretržite pracovať s vysokými amplitúdami a sú skonštruované pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko kontinuálne generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukové sondy / rohy). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Ultrazvukové procesory Hielscher pre sonochemickú syntézu, funkcionalizáciu, nanoštruktúrovanie a deaglomeráciu sú už inštalované na celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás teraz a prediskutujte svoj procesný krok zahŕňajúci nanomateriály na výrobu batérií! Náš skúsený personál sa rád podelí o viac informácií o vynikajúcich výsledkoch disperzie, vysokovýkonných ultrazvukových systémoch a cenách!
Vďaka výhode ultrazvuku bude vaša pokročilá výroba elektród a elektrolytov vynikať účinnosťou, jednoduchosťou a nízkymi nákladmi v porovnaní s inými výrobcami elektród!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: