Sonokemična sinteza elektrodnih materialov za proizvodnjo baterij

Pri proizvodnji visoko zmogljivih baterijskih celic imajo nanostrukturirani materiali in nanokompoziti pomembno vlogo, saj zagotavljajo vrhunsko električno prevodnost, večjo gostoto shranjevanja, visoko zmogljivost in zanesljivost. Da bi dosegli polno funkcionalnost nanomaterialov, je treba nanodelce posamezno razpršiti ali luščiti in morda bodo potrebni nadaljnji koraki obdelave, kot je funkcionalizacija. Ultrazvočna nanoobdelava je vrhunska, učinkovita in zanesljiva tehnika za proizvodnjo visoko zmogljivih nanomaterialov in nanokompozitov za napredno proizvodnjo baterij.

Ultrazvočna disperzija elektrokemično aktivnih materialov v elektrodnih suspenzijah

Nanomateriali se uporabljajo kot inovativni elektrodni materiali, kar je povzročilo znatno večjo učinkovitost baterij za polnjenje. Premagovanje aglomeracije, agregacije in ločevanja faz je ključnega pomena za pripravo gnojevk za proizvodnjo elektrod, zlasti kadar gre za nanomateriale. Nanomateriali povečajo aktivno površino baterijskih elektrod, kar jim omogoča, da med cikli polnjenja absorbirajo več energije in povečajo svojo skupno zmogljivost shranjevanja energije. Da bi v celoti izkoristili prednosti nanomaterialov, morajo biti ti nanostrukturirani delci razpleteni in porazdeljeni kot ločeni delci v gnojevki elektrode. Ultrazvočna disperzijska tehnologija zagotavlja osredotočene sile z visoko strižnostjo in sonokemično energijo, kar vodi do mešanja atomske ravni in kompleksiranja nano-velikih materialov.
Nanodelce, kot so grafen, ogljikove nanocevke (CNT), kovine in redke zemeljske minerale, je treba enakomerno razpršiti v stabilno gnojevko, da se dobijo visoko funkcionalni elektrodni materiali.
Na primer, grafen in CNT so dobro znani, da izboljšujejo zmogljivost baterijskih celic, vendar je treba premagati aglomeracijo delcev. To pomeni, da je nujno potrebna visoko zmogljiva disperzijska tehnika, ki je sposobna obdelati nanomateriale in po možnosti visoko viskoznost. Ultrazvočni aparati s sondo so visoko zmogljiva disperzijska metoda, ki lahko zanesljivo in učinkovito obdeluje nanomateriale tudi pri visokih trdnih obremenitvah.

Zakaj je ultrazvočna razbijanje vrhunska tehnika za obdelavo nanomaterialov?

Ko druge tehnike razpršitve in mešanja, kot so mešalniki z visokim striženjem, mlini kroglic ali visokotlačni homogenizatorji, pridejo do svojih meja, je ultrazvočna obdelava metoda, ki izstopa pri obdelavi mikronov in nanodelcev.
Ultrazvok visoke moči in ultrazvočno ustvarjena akustična kavitacija zagotavljata edinstvene energetske pogoje in izjemno gostoto energije, ki omogoča deaglomeracijo ali luščenje nanomaterialov, njihovo funkcionalizacijo, sintezo nanostruktur v procesih od spodaj navzgor in pripravo visoko zmogljivih nanokompozitov.
Ker Hielscher ultrazvočni aparati omogočajo natančen nadzor najpomembnejših parametrov ultrazvočne obdelave, kot so intenzivnost (Ws? mL), amplituda (μm), temperatura (ºC? ºF) in tlak (bar), se lahko pogoji obdelave individualno prilagodijo optimalnim nastavitvam za vsak material in proces. Tako so ultrazvočni dispergatorji zelo vsestranski in se lahko uporabljajo za številne aplikacije, npr. CNT disperzijo, piling grafena, sonokemično sintezo delcev jedrne lupine ali funkcionalizacijo silicijevih nanodelcev.

SEM mikrografije sonokemično pripravljenega Na0,44MnO2 s kalcinacijo pri 900 °C 2 uri.(Študija in slika: ©Shinde et al., 2019)

Preberite več o Hielscherjevih industrijskih ultrazvočnih aparatih za predelavo nanomaterialov v proizvodnji baterij!

Spodaj lahko najdete različne ultrazvočne aplikacije obdelave nanomaterialov:

Ultrazvočna sinteza nanokompozitov

Ultrazvočna sinteza grafena-SnO₂ nanokompozit: (2013) je razvila ultrazvočno podprto pot za pripravo nanokompozita grafen-SnO2. Raziskovali so kavitacijske učinke, ki jih povzroča ultrazvok visoke moči med sintezo kompozita grafen-SnO2. Za ultrazvočno razbijanje so uporabili napravo Hielscher Ultrasonics. Rezultati kažejo ultrazvočno izboljšano fino in enakomerno obremenitev SnO₂ na grafenskih nanoploščah z oksidacijsko-redukcijsko reakcijo med grafen oksidom in SnCl₂·2H₂O v primerjavi s konvencionalnimi metodami sinteze.

Grafikon, ki prikazuje proces nastajanja grafen oksida in SnO₂–grafenski nanokompozit.(Študija in slike: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-grafenski nanokompozit je bil uspešno pripravljen z novo in učinkovito metodo kemične sinteze na osnovi raztopine z ultrazvokom, grafen oksid pa je bil zmanjšan s SnCl₂ na grafenske plošče v prisotnosti HCl. Analiza TEM kaže enakomerno in fino obremenitev SnO₂ v grafenskih nanoploščah. Pokazalo se je, da kavitacijski učinki, ki nastanejo zaradi uporabe ultrazvočnega obsevanja, povečajo fino in enakomerno obremenitev SnO2 na grafenskih nanoploščah med oksidacijsko-redukcijsko reakcijo med grafen oksidom in SnCl₂·2H₂O. Okrepljena fina in enakomerna obremenitev nanodelcev SnO2 (3–5 nm) na reduciranih grafenskih nanoploščah se pripisuje povečani nukleaciji in prenosu topljene raztopine zaradi kavitacijskega učinka, ki ga povzroča ultrazvočno obsevanje. Fino in enakomerno obremenitev SnO₂ nanodelci na grafenskih nanoploščah so bili potrjeni tudi z analizo TEM. Uporaba sintetiziranega SnO₂–grafenski nanokompozit kot anodni material v litij-ionskih baterijah. Zmogljivost SnO₂Li-baterija na osnovi grafenskega nanokompozita je stabilna približno 120 ciklov, baterija pa lahko ponovi stabilno reakcijo polnjenja in praznjenja. (Deosakar et al., 2013)

TEM slika SnO₂–grafenski nanokompozit, pripravljen s sonokemično metodo. Bar označuje pri (A) 10nm, pri (B) pri 5nm.(Študija in slike: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvočna disperzija nanodelcev v akumulatorske gnojevke

Disperzija komponent eletode: (2011) so pripravili elektrode z litijevim železovim fosfatom (LiFePO₄). Gnojevka je vsebovala LiFePO4 kot aktivni material, saje kot električno prevodni dodatek, kot vezivo je bil uporabljen poliviniliden fluorid, raztopljen v N-metilpirolidinonu (NMP). Masno razmerje (po sušenju) AM/CB/PVDF v elektrodah je bilo 83/8,5/8,5. Za pripravo suspenzij so bile vse sestavine elektrod zmešane v NMP z ultrazvočnim mešalnikom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) za 2 min pri 200 W in 24 kHz.
Nizka električna prevodnost in počasna difuzija Li-ionov vzdolž enodimenzionalnih kanalov LiFePO₄ je mogoče premagati z vgradnjo LiFePO₄ v prevodni matrici, npr. saje. Ker nano-veliki delci in strukture delcev jedra in lupine izboljšujejo električno prevodnost, tehnologija ultrazvočne disperzije in sonokemična sinteza delcev jedra-lupine omogočata proizvodnjo vrhunskih nanokompozitov za baterijske aplikacije.

Disperzija litijevega železovega fosfata: Raziskovalna skupina Hagberga (Hagberg et al., 2018) je uporabila ultrazvočni aparat UP100H za postopek strukturne pozitivne elektrode, ki je sestavljena iz ogljikovih vlaken, prevlečenih z litij-železovim fosfatom (LFP). Ogljikova vlakna so neprekinjene, samostojne vleke, ki delujejo kot zbiralniki toka in zagotavljajo mehansko togost in trdnost. Za optimalno delovanje so vlakna prevlečena posamično, npr. z elektroforetskim nanašanjem.
Testirana so bila različna masna razmerja zmesi, sestavljenih iz LFP, CB in PVDF. Te mešanice so bile prevlečene na ogljikova vlakna. Ker se lahko nehomogena porazdelitev v sestavkih premazne kopeli razlikuje od sestave v samem premazu, se za zmanjšanje razlike uporablja strogo mešanje z ultrazvokom.
Ugotovili so, da so delci razmeroma dobro razpršeni po celotni prevleki, kar se pripisuje uporabi površinsko aktivne snovi (Triton X-100) in ultrazvočnemu koraku pred elektroforetskim nanašanjem.

Slike prereza in velike povečave ogljikovih vlaken, prevlečenih z EPD. Mešanica LFP, CB in PVDF je bila ultrazvočno homogenizirana z uporabo ultrazvočni aparat UP100H. Povečave: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.(Študija in slika: ©Hagberg et al., 2018)

Disperzija LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Kompozitni katodni material:
(2013) so raziskali vpliv korakov obdelave, kot so ultrazvočna obdelava, tlak in sestava materiala za LiNi_0.5Mn_1.5O₄kompozitne katode.
Pozitivne kompozitne elektrode z LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel kot aktivni material, mešanica grafita in saj za povečanje električne prevodnosti elektrode in bodisi polivinildenfluorid (PVDF) ali mešanica PVDF z majhno količino teflona® (1 mas. %) za izdelavo elektrode. Obdelani so bili z litjem traku na aluminijasto folijo kot zbiralnik toka s tehniko doktorskega rezila. Poleg tega so bile mešanice komponent ultrazvočne ali ne, obdelane elektrode pa so bile stisnjene ali ne pod kasnejšim hladnim stiskanjem Preizkušeni sta bili dve formulaciji:
A-formulacija (brez teflona®): 78 mas. % LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 mas. % saje; 2,5 mas. % grafita; 12 mas. % PVDF
B-formulacija (s teflonom®): 78 mas. % LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 mas. % saje; 2,5 mas. % grafita; 11 mas. % PVDF; 1 mas. % teflona®
V obeh primerih so bile sestavine pomešane in razpršene v N-metilpirolidinonu (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2 g) je bil skupaj z ostalimi sestavinami v omenjenih odstotkih, ki so že pripravljeni, razpršen v 11 ml NMP. V nekaterih posebnih primerih je bila mešanica sonikirana 25 minut in nato mešana pri sobni temperaturi 48 ur. V nekaterih drugih je bila mešanica samo mešana pri sobni temperaturi 48 ur, tj. brez ultrazvočnega razbijanja. Ultrazvočna obdelava spodbuja homogeno disperzijo komponent elektrode in dobljena elektroda LNMS je videti bolj enakomerna.
Kompozitne elektrode z visoko težo, do 17 mg/cm2, so bile pripravljene in preučene kot pozitivne elektrode za litij-ionske baterije. Dodatek teflona® in uporaba ultrazvočne obdelave vodita do enakomernih elektrod, ki so dobro pritrjene na aluminijasto folijo. Oba parametra prispevata k izboljšanju zmogljivosti, ki se izčrpava pri visokih stopnjah (5 °C). Dodatno zbijanje sklopov elektrode? aluminija izjemno poveča zmogljivosti hitrosti elektrod. Pri stopnji 5C najdemo izjemno zadrževanje zmogljivosti med 80% in 90% za elektrode s težo v območju 3-17 mg? cm², ki imajo v formulaciji teflon®, pripravljen po ultrazvočni obdelavi njihovih sestavnih mešanic in stisnjen pod 2 toni/cm².
Če povzamemo, elektrode z 1 mas. % teflona® v svoji formulaciji, njihove sestavne mešanice, ki so bile podvržene ultrazvočni obdelavi, stisnjene pri 2 tonah? cm2 in z težo v območju 2,7-17 mg? cm2, so pokazale izjemno hitrost. Tudi pri visokem toku 5 ° C je bila normalizirana zmogljivost praznjenja med 80% in 90% za vse te elektrode. (prim. Vidal et al., 2013)

Visoko zmogljivi ultrazvočni dispergatorji za proizvodnjo baterij

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljivo ultrazvočno opremo, ki se uporablja za obdelavo katodnih, anodnih in elektrolitskih materialov za uporabo v litij-ionskih baterijah (LIB), natrij-ionskih baterijah (NIB) in drugih baterijskih celicah. Hielscher ultrazvočni sistemi se uporabljajo za sintezo nanokompozitov, funkcionalizacijo nanodelcev in razpršitev nanomaterialov v homogene, stabilne suspenzije.
S ponudbo portfelja od laboratorijskih do popolnoma industrijskih ultrazvočnih procesorjev je Hielscher vodilni na trgu visoko zmogljivih ultrazvočnih razpršilnikov. Hielscher Ultrasonics, ki že več kot 30 let deluje na področju sinteze nanomaterialov in zmanjšanja velikosti, ima bogate izkušnje z ultrazvočno obdelavo nanodelcev in ponuja najmočnejše in najzanesljivejše ultrazvočne procesorje na trgu. Nemški inženiring zagotavlja najsodobnejšo tehnologijo in robustno kakovost.
Napredna tehnologija, visoko zmogljiva in prefinjena programska oprema spremenijo Hielscher ultrazvočne naprave v zanesljive delovne konje v vašem procesu izdelave elektrod. Vsi ultrazvočni sistemi so izdelani na sedežu v Teltowu v Nemčiji, preizkušeni za kakovost in robustnost, nato pa se distribuirajo iz Nemčije po vsem svetu.
Prefinjena strojna oprema in pametna programska oprema Hielscher ultrasonicatorjev sta zasnovani tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in prijaznost do uporabnika. Hielscher ultrazvočni aparati so robustni in dosledni v zmogljivosti, kar omogoča njihovo namestitev v zahtevna okolja in njihovo delovanje v težkih pogojih. Do nastavitev delovanja lahko enostavno dostopate in jih izberete prek intuitivnega menija, do katerega lahko dostopate prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljalnika brskalnika. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno zabeležijo na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča, da pregledate in primerjate prejšnje ultrazvočne operacije ter optimizirate sintezo, funkcionalizacijo in disperzijo nanomaterialov in kompozitov do najvišje učinkovitosti.
Hielscherjevi ultrazvočni sistemi se po vsem svetu uporabljajo za sonokemično sintezo nanomaterialov in so dokazano zanesljivi za disperzijo nanodelcev v stabilne koloidne suspenzije. Hielscher industrijski ultrazvočni aparati lahko neprekinjeno delujejo z visokimi amplitudami in so zgrajeni za delovanje 24/7. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno kontinuirano ustvarjajo s standardnimi sonotrodami (ultrazvočne sonde? rogovi). Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Hielscher ultrazvočni procesorji za sonokemično sintezo, funkcionalizacijo, nanostrukturiranje in deaglomeracijo so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Stopite v stik z nami in se pogovorite o svojem koraku v zvezi z nanomateriali za proizvodnjo baterij! Naše izkušeno osebje bo z veseljem delilo več informacij o vrhunskih rezultatih disperzije, visoko zmogljivih ultrazvočnih sistemih in cenah!
S prednostjo ultrazvočne obdelave se bo vaša napredna proizvodnja elektrod in elektrolitov odlikovala z učinkovitostjo, preprostostjo in nizkimi stroški v primerjavi z drugimi proizvajalci elektrod!

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: