Sonochemická syntéza elektródových materiálov na výrobu batérií

Pri výrobe vysokovýkonných batériových článkov sú nanoštruktúrované materiály a nanokompozity kľúčové pre vynikajúcu elektrickú vodivosť, vyššiu hustotu uloženej energie, vysokú kapacitu a spoľahlivosť. Na dosiahnutie plnej funkčnosti nanomateriálov sa nanočastice musia jednotlivo dispergovať alebo exfoliovať a môžu vyžadovať ďalšie kroky spracovania, ako je funkcionalizácia. Ultrazvukové spracovanie v nanometrovej mierke je špičkovou, účinnou a spoľahlivou technikou výroby vysokovýkonných nanomateriálov a nanokompozitov pre pokročilú výrobu batérií.

Ultrazvuková dispergácia elektrochemicky aktívnych materiálov v elektródových suspenziách

Nanomateriály sa používajú ako inovatívne elektródové materiály, čo viedlo k výraznému zlepšeniu výkonu nabíjateľných batérií. Prekonanie aglomerácie, agregácie a separácie fáz je rozhodujúce pri príprave suspenzií na výrobu elektród, najmä ak obsahujú materiály s časticami nanometrových rozmerov. Nanomateriály zväčšujú aktívny povrch elektród batérií, čo im umožňuje absorbovať viac energie počas nabíjacích cyklov a zvýšiť ich celkovú kapacitu ukladania energie. Aby bolo možné naplno využiť výhody nanomateriálov, tieto nanoštruktúrované častice sa musia rozpliesť a rozptýliť v elektródovej suspenzii ako samostatné častice. Technológia ultrazvukovej dispergácie poskytuje sústredené sily s vysokým šmykovým účinkom (sonomechanické sily), ako aj sonochemickú energiu, čo vedie k miešaniu na atómovej úrovni a tvorbe komplexov materiálov s nanometrovými rozmermi.
Nanočastice, ako sú grafén, uhlíkové nanorúrky (CNT), kovy a minerály vzácnych zemín, sa musia rovnomerne dispergovať do stabilnej suspenzie, aby sa získali vysoko funkčné elektródové materiály.
Napríklad grafén a CNT sú dobre známe tým, že zvyšujú výkon batériových článkov, je však potrebné prekonať aglomeráciu častíc. To znamená, že je bezpodmienečne potrebná vysokovýkonná dispergačná technika schopná spracovať nanomateriály a prípadne aj materiály s vysokou viskozitou. Sonikátory so sondou predstavujú vysokovýkonnú metódu dispergácie, ktorá dokáže spoľahlivo a účinne spracovať nanomateriály aj pri vysokom obsahu tuhých látok.

Prečo je sonikácia lepšou technikou na spracovanie nanomateriálov?

Keď iné dispergačné a miešacie techniky, ako sú miešače s vysokým šmykovým účinkom, guľôčkové mlyny alebo vysokotlakové homogenizátory, dosiahnu svoje limity, ultrazvukové spracovanie je metódou, ktorá vyniká pri spracovaní mikročastíc a nanočastíc.
Vysokovýkonný ultrazvuk a ultrazvukom vytváraná akustická kavitácia poskytujú jedinečné energetické podmienky a extrémnu hustotu energie, ktorá umožňuje deaglomerovať alebo exfoliovať nanomateriály, funkcionalizovať ich, syntetizovať nanoštruktúry postupmi zdola nahor a pripravovať vysokovýkonné nanokompozity.
Keďže sonikátory Hielscher umožňujú presné riadenie najdôležitejších parametrov ultrazvukového spracovania, ako sú intenzita (Ws/mL), amplitúda (µm), teplota (ºC/ºF) a tlak (bar), podmienky spracovania možno individuálne optimalizovať pre každý materiál a proces. Ultrazvukové dispergátory sú preto veľmi všestranné a možno ich použiť v mnohých aplikáciách, napríklad na dispergáciu CNT, exfoliáciu grafénu, sonochemickú syntézu častíc so štruktúrou jadro–obal alebo funkcionalizáciu kremíkových nanočastíc.

Snímky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) zobrazujúce Na0.44MnO2 pripravený sonochemicky s kalcináciou pri 900°C počas 2 h.
(Štúdia a obrázok: ©Shinde et al., 2019)

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

Nižšie nájdete rôzne aplikácie spracovania nanomateriálov pomocou ultrazvuku:

Ultrazvuková syntéza nanokompozitov

Ultrazvuková syntéza nanokompozitu grafén–SnO₂ : Výskumný tím Deosakar et al. (2013) vyvinul postup prípravy nanokompozitu grafén–SnO2 s podporou ultrazvuku. Skúmali kavitačné účinky vytvárané vysokovýkonným ultrazvukom počas syntézy kompozitu grafén–SnO2. Na sonikáciu použili zariadenie Hielscher Ultrasonics. Výsledky v porovnaní s konvenčnými metódami syntézy preukazujú, že ultrazvuk zlepšuje jemné a rovnomerné nanášanie SnO₂ na grafénové nanovrstvy oxidačno-redukčnou reakciou medzi oxidom grafénu a SnCl₂·2H₂O.

Schéma znázorňujúca proces tvorby oxidu grafénu a nanokompozitu SnO₂–grafén.
(Štúdia a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

Nanokompozit SnO₂–grafén bol úspešne pripravený novým a účinným postupom chemickej syntézy v roztoku s podporou ultrazvuku a oxid grafénu bol pomocou SnCl₂ redukovaný na grafénové vrstvy v prítomnosti HCl. Analýza TEM ukazuje rovnomerné a jemné rozloženie SnO₂ v grafénových nanovrstvách. Preukázalo sa, že kavitačné účinky vyvolané pôsobením ultrazvuku zintenzívňujú jemné a rovnomerné nanášanie SnO2 na grafénové nanovrstvy počas oxidačno-redukčnej reakcie medzi oxidom grafénu a SnCl₂·2H₂O. Zintenzívnené jemné a rovnomerné nanášanie nanočastíc SnO2 (3–5 nm) na redukované grafénové nanovrstvy sa pripisuje zvýšenej nukleácii a prenosu rozpustenej látky v dôsledku kavitačného účinku vyvolaného pôsobením ultrazvuku. Jemné a rovnomerné nanesenie nanočastíc SnO₂ na grafénové nanovrstvy sa potvrdilo aj analýzou TEM. Je preukázané použitie syntetizovaného nanokompozitu SnO₂–grafén ako anódového materiálu v lítiovo-iónových batériách. Kapacita lítiovej batérie na báze nanokompozitu SnO₂–grafén je stabilná počas približne 120 cyklov a batéria dokázala opakovane vykonávať stabilnú reakciu nabíjania a vybíjania. (Deosakar et al., 2013)

Snímka TEM nanokompozitu SnO₂–grafén pripraveného sonochemickou metódou. Mierková úsečka označuje pri (A) 10nm, pri (B) 5nm.
(Štúdia a obrázky: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvukové dispergovanie nanočastíc do batériových suspenzií

Dispergovanie zložiek elektród: Waser et al. (2011) pripravili elektródy s fosforečnanom lítno-železnatým (LiFePO₄). Suspenzia obsahovala LiFePO4 ako aktívny materiál a sadze ako elektricky vodivú prísadu; ako spojivo sa použil polyvinylidénfluorid rozpustený v N-metylpyrolidinóne (NMP). Hmotnostný pomer (po vysušení) AM/CB/PVDF v elektródach bol 83/8,5/8,5. Na prípravu suspenzií sa všetky zložky elektród miešali v NMP ultrazvukovým miešadlom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) počas 2 min pri 200 W a 24 kHz.
Nízku elektrickú vodivosť a pomalú difúziu lítiových iónov pozdĺž jednorozmerných kanálov LiFePO₄ možno prekonať zabudovaním LiFePO₄ do vodivej matrice, napr. sadzí. Keďže častice s nanometrovými rozmermi a časticové štruktúry typu jadro–obal zlepšujú elektrickú vodivosť, technológia ultrazvukového dispergovania a sonochemická syntéza častíc typu jadro–obal umožňujú vyrábať nanokompozity s vynikajúcimi vlastnosťami pre batériové aplikácie.

Dispergovanie fosforečnanu lítno-železnatého: Výskumný tím Hagberga (Hagberg et al., 2018) použil ultrazvukové zariadenie UP100H pri príprave konštrukčnej kladnej elektródy pozostávajúcej z uhlíkových vlákien potiahnutých fosforečnanom lítno-železnatým (LFP). Uhlíkové vlákna tvoria kontinuálne, samonosné zväzky, ktoré slúžia ako zberače prúdu a poskytujú mechanickú tuhosť a pevnosť. Na dosiahnutie optimálneho výkonu sa vlákna poťahujú jednotlivo, napr. elektroforetickým nanášaním.
Testovali sa rôzne hmotnostné pomery zmesí pozostávajúcich z LFP, CB a PVDF. Tieto zmesi sa nanášali na uhlíkové vlákna. Keďže v dôsledku nehomogénneho rozloženia sa zloženie v povlakovacom kúpeli môže líšiť od zloženia samotného povlaku, na minimalizáciu tohto rozdielu sa používa intenzívne miešanie ultrazvukom.
Výskumníci zaznamenali, že častice sú pomerne dobre rozptýlené v celom povlaku, čo pripisujú použitiu povrchovo aktívnej látky (Triton X-100) a ultrazvukovému spracovaniu pred elektroforetickým nanášaním.

Snímky priečneho rezu uhlíkových vlákien potiahnutých metódou EPD a ich snímky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) pri vysokom zväčšení. Zmes LFP, CB a PVDF sa ultrazvukovo homogenizovala pomocou ultrazvukového prístroja UP100H. Zväčšenia: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Štúdia a obrázok: ©Hagberg et al., 2018)

Dispergovanie kompozitného katódového materiálu LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) skúmali vplyv krokov spracovania, ako sú sonikácia, tlak a zloženie materiálu, pri kompozitných katódach LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Kladné kompozitné elektródy obsahovali spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 ako aktívny materiál, zmes grafitu a sadzí na zvýšenie elektrickej vodivosti elektródy a buď polyvinylidénfluorid (PVDF), alebo zmes PVDF s malým množstvom Teflon® (1 wt%) na vytvorenie elektródy. Pripravovali sa odlievaním pásov na hliníkovú fóliu slúžiacu ako zberač prúdu pomocou stieracej čepele. Okrem toho sa zmesi zložiek buď sonikovali, alebo nesonikovali a pripravené elektródy sa pri následnom lisovaní za studena buď zhutňovali, alebo nezhutňovali. Testovali sa dve zloženia:
Zloženie A (bez Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% sadzí; 2,5 wt% grafitu; 12 wt% PVDF
Zloženie B (s Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% sadzí; 2,5 wt% grafitu; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
V oboch prípadoch sa zložky miešali a dispergovali v N-metylpyrolidinóne (NMP). Spinel LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g) sa spolu s ostatnými zložkami v už uvedených percentuálnych podieloch dispergoval v 11 ml NMP. V niektorých konkrétnych prípadoch sa zmes sonikovala počas 25 min a potom sa miešala pri izbovej teplote počas 48 h. V iných prípadoch sa zmes iba miešala pri izbovej teplote počas 48 h, t. j. bez akejkoľvek sonikácie. Sonikácia podporuje homogénne rozptýlenie zložiek elektródy a získaná elektróda LNMS pôsobí rovnomernejšie.
Pripravili a skúmali sa kompozitné elektródy s vysokou plošnou hmotnosťou, až do 17mg/cm2, ako kladné elektródy pre lítiovo-iónové batérie. Pridanie Teflon® a použitie sonikácie vedú k rovnomerným elektródam, ktoré dobre priľnú k hliníkovej fólii. Oba parametre prispievajú k zvýšeniu využiteľnej kapacity pri vysokých vybíjacích rýchlostiach (5C). Dodatočné zhutnenie zostáv elektróda/hliník výrazne zlepšuje schopnosť elektródy pracovať pri vysokých vybíjacích rýchlostiach. Pri vybíjacej rýchlosti 5C sa zistilo pozoruhodné zachovanie kapacity medzi 80% a 90% pri elektródach s plošnou hmotnosťou v rozsahu 3–17mg/cm², ktoré obsahovali Teflon®, boli pripravené po sonikácii zmesí ich zložiek a zhutnené pri 2 tonách/cm².
Celkovo elektródy obsahujúce 1 wt% Teflon®, ktorých zmesi zložiek boli sonikované, zhutnené pri 2 tonách/cm2 a s plošnou hmotnosťou v rozsahu 2,7–17 mg/cm2 vykazovali pozoruhodnú schopnosť pracovať pri vysokých vybíjacích rýchlostiach. Aj pri vysokom prúde 5C bola normalizovaná vybíjacia kapacita všetkých týchto elektród medzi 80% a 90%. (porov. Vidal et al., 2013)

Vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory na výrobu batérií

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s vysokou účinnosťou, ktoré sa používajú na spracovanie katódových, anódových a elektrolytových materiálov na použitie v lítiovo-iónových batériách (LIB), sodíkovo-iónových batériách (NIB) a ďalších batériových článkoch. Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na syntézu nanokompozitov, funkcionalizáciu nanočastíc a dispergovanie nanomateriálov do homogénnych, stabilných suspenzií.
Spoločnosť Hielscher ponúka portfólio ultrazvukových procesorov od laboratórneho až po plne priemyselný rozsah a je lídrom na trhu vysokovýkonných ultrazvukových dispergátorov. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics pôsobí v oblasti syntézy nanomateriálov a zmenšovania veľkosti častíc už viac ako 30 rokov, má rozsiahle skúsenosti s ultrazvukovým spracovaním nanočastíc a ponúka najvýkonnejšie a najspoľahlivejšie ultrazvukové procesory na trhu. Nemecké inžinierstvo poskytuje najmodernejšiu technológiu a robustnú kvalitu.
Pokročilá technológia, vysoký výkon a prepracovaný softvér robia z ultrazvukových prístrojov Hielscher spoľahlivých pomocníkov vo vašom procese výroby elektród. Všetky ultrazvukové systémy sa vyrábajú v sídle spoločnosti v nemeckom Teltowe, testuje sa ich kvalita a odolnosť a následne sa z Nemecka distribuujú do celého sveta.
Prepracovaný hardvér a inteligentný softvér ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a jednoduché používanie. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a poskytujú stabilný výkon, čo umožňuje ich inštaláciu v náročných prostrediach a prevádzku pri vysokom zaťažení. Prevádzkové nastavenia sú ľahko dostupné a možno ich upravovať prostredníctvom intuitívnej ponuky, ktorá je prístupná cez digitálny farebný dotykový displej a diaľkové ovládanie cez prehliadač. Všetky podmienky spracovania, ako sú čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, sa preto automaticky zaznamenávajú na zabudovanú kartu SD. To vám umožňuje spätne preskúmať a porovnávať predchádzajúce sonikačné cykly a optimalizovať syntézu, funkcionalizáciu a dispergovanie nanomateriálov a kompozitov na dosiahnutie najvyššej účinnosti.
Systémy Hielscher Ultrasonics sa celosvetovo používajú na sonochemickú syntézu nanomateriálov a preukázali svoju spoľahlivosť pri dispergovaní nanočastíc do stabilných koloidných suspenzií. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher môžu nepretržite pracovať pri vysokých amplitúdach a sú skonštruované na prevádzku 24/7. Amplitúdy až do 200µm možno jednoducho nepretržite generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukových sond / rohov). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Ultrazvukové procesory Hielscher na sonochemickú syntézu, funkcionalizáciu, nanoštruktúrovanie a deaglomeráciu sú už nainštalované po celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás ešte dnes a prediskutujte s nami svoj procesný krok zahŕňajúci nanomateriály na výrobu batérií! Naši skúsení pracovníci vám radi poskytnú ďalšie informácie o vynikajúcich výsledkoch dispergovania, vysokovýkonných ultrazvukových systémoch a cenách!
Vďaka výhodám ultrazvukového spracovania bude vaša pokročilá výroba elektród a elektrolytov vynikať účinnosťou, jednoduchosťou a nízkymi nákladmi v porovnaní s ostatnými výrobcami elektród!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových prístrojov: