Sinteza sonokimike e materialeve të elektrodave për prodhimin e baterive

Në prodhimin e qelizave të baterive me performancë të lartë, materialet e nanostrukturuara dhe nanokompozitet luajnë një rol të rëndësishëm duke siguruar përçueshmëri elektrike superiore, dendësi më të larta të ruajtjes së energjisë, kapacitet të lartë dhe besueshmëri. Për të arritur funksionalitetin e plotë të nanomaterialeve, nanogrimcat duhet të dispergohen individualisht ose të eksfoliohen dhe mund të kenë nevojë për hapa të mëtejshëm përpunimi, si funksionalizimi. Nanopërpunimi me ultratinguj është teknika superiore, e efektshme dhe e besueshme për prodhimin e nanomaterialeve dhe nanokompoziteve me performancë të lartë për prodhimin e avancuar të baterive.

Dispergimi me ultratinguj i materialeve elektrokimikisht aktive në suspensionet e elektrodave

Nanomaterialet përdoren si materiale novatore për elektroda, gjë që ka sjellë përmirësim të ndjeshëm të performancës së baterive të rikarikueshme. Kapërcimi i aglomerimit, agregimit dhe ndarjes së fazave është vendimtar për përgatitjen e suspensioneve për prodhimin e elektrodave, veçanërisht kur përfshihen materiale me përmasa nanometrike. Nanomaterialet rrisin sipërfaqen aktive të elektrodave të baterive, gjë që u mundëson atyre të thithin më shumë energji gjatë cikleve të karikimit dhe të rrisin kapacitetin e tyre të përgjithshëm të ruajtjes së energjisë. Për të përfituar plotësisht nga nanomaterialet, këto grimca të nanostrukturuara duhet të çngatërrohen dhe të shpërndahen si grimca të veçuara në suspensionin e elektrodës. Teknologjia e dispergimit me ultratinguj siguron forca të përqendruara me prerje të lartë (sonomekanike), si dhe energji sonokimike, gjë që çon në përzierjen në nivel atomik dhe kompleksimin e materialeve me përmasa nanometrike.
Nanogrimcat si grafeni, nanotubat e karbonit (CNT), metalet dhe mineralet e tokave të rralla duhet të dispergohen në mënyrë të njëtrajtshme në një suspension të qëndrueshëm për të përftuar materiale elektrodash me funksionalitet të lartë.
Për shembull, grafeni dhe CNT-të njihen mirë për përmirësimin e performancës së qelizave të baterive, por aglomerimi i grimcave duhet të kapërcehet. Kjo do të thotë se kërkohet patjetër një teknikë dispergimi me performancë të lartë, e aftë të përpunojë nanomateriale dhe, sipas rastit, materiale me viskozitet të lartë. Pajisjet me ultratinguj të tipit sondë janë metoda e dispergimit me performancë të lartë, e cila mund t’i përpunojë nanomaterialet në mënyrë të besueshme dhe të efektshme edhe në përmbajtje të larta të lëndëve të ngurta.

Pse është trajtimi me ultratinguj teknika superiore për përpunimin e nanomaterialeve?

Kur teknikat e tjera të dispergimit dhe përzierjes, si përzierësit me prerje të lartë, mullinjtë me rruaza ose homogjenizuesit me presion të lartë, arrijnë kufijtë e tyre, trajtimi me ultratinguj është metoda që spikat për përpunimin e mikrogrimcave dhe nanogrimcave.
Ultratingujt me fuqi të lartë dhe kavitacioni akustik i gjeneruar prej tyre sigurojnë kushte unike energjetike dhe dendësi ekstreme të energjisë, që mundësojnë deaglomerimin ose eksfolimin e nanomaterialeve, funksionalizimin e tyre, sintezën e nanostrukturave në procese që nisin nga njësitë bazë drejt strukturave më të mëdha dhe përgatitjen e nanokompoziteve me performancë të lartë.
Meqenëse pajisjet me ultratinguj Hielscher mundësojnë kontrollin e saktë të parametrave më të rëndësishëm të përpunimit me ultratinguj, si intensiteti (Ws/mL), amplituda (µm), temperatura (ºC/ºF) dhe presioni (bar), kushtet e përpunimit mund të rregullohen individualisht në vlera optimale për çdo material dhe proces. Kështu, disperguesit me ultratinguj janë shumë të gjithanshëm dhe mund të përdoren për zbatime të shumta, p.sh. dispergimin e CNT-ve, eksfolimin e grafenit, sintezën sonokimike të grimcave me bërthamë dhe mbështjellës ose funksionalizimin e nanogrimcave të silicit.

Mikrografi SEM të Na0.44MnO2 të përgatitur në mënyrë sonokimike me kalcinim në 900°C për 2 h.
(Studimi dhe figura: ©Shinde et al., 2019)

Mësoni më shumë rreth pajisjeve industriale me ultratinguj të Hielscher për përpunimin e nanomaterialeve në prodhimin e baterive!

Më poshtë mund të gjeni aplikime të ndryshme të përpunimit të nanomaterialeve me ultratinguj:

Sinteza e nanokompoziteve me ultratinguj

Sinteza me ultratinguj e nanokompozitit grafen–SnO₂ : Ekipi kërkimor i Deosakar et al. (2013) zhvilloi një metodë të asistuar me ultratinguj për të përgatitur një nanokompozit grafen–SnO2. Ata hetuan efektet e kavitacionit të gjeneruara nga ultratingujt me fuqi të lartë gjatë sintezës së kompozitit grafen–SnO2. Për trajtimin me ultratinguj, ata përdorën një pajisje Hielscher Ultrasonics. Rezultatet tregojnë një depozitim të imët dhe të njëtrajtshëm të SnO₂ mbi nanofletët e grafenit, të përmirësuar nga ultratingujt, përmes reaksionit të oksidimit–reduktimit ndërmjet oksidit të grafenit dhe SnCl₂·2H₂O, krahasuar me metodat konvencionale të sintezës.

Diagram që tregon procesin e formimit të oksidit të grafenit dhe të nanokompozitit SnO₂–grafen.
(Studimi dhe imazhet: ©Deosakar et al., 2013)

Nanokompoziti SnO₂–grafen është përgatitur me sukses përmes një metode të re dhe efektive të sintezës kimike në tretësirë, të asistuar me ultratinguj, dhe oksidi i grafenit u reduktua nga SnCl₂ në fletë grafeni në prani të HCl. Analiza TEM tregon depozitimin e njëtrajtshëm dhe të imët të SnO₂ në nanofletët e grafenit. Është treguar se efektet e kavitacionit të prodhuara nga përdorimi i rrezatimit me ultratinguj intensifikojnë depozitimin e imët dhe të njëtrajtshëm të SnO2 mbi nanofletët e grafenit gjatë reaksionit të oksidimit–reduktimit ndërmjet oksidit të grafenit dhe SnCl₂·2H₂O. Depozitimi i intensifikuar, i imët dhe i njëtrajtshëm i nanogrimcave SnO2 (3–5 nm) mbi nanofletët e reduktuara të grafenit i atribuohet përmirësimit të bërthamëzimit dhe të transferimit të substancës së tretur për shkak të efektit të kavitacionit të shkaktuar nga rrezatimi me ultratinguj. Depozitimi i imët dhe i njëtrajtshëm i nanogrimcave SnO₂ mbi nanofletët e grafenit u konfirmua gjithashtu nga analiza TEM. Demonstrohet përdorimi i nanokompozitit të sintetizuar SnO₂–grafen si material anode në bateritë me jone litiumi. Kapaciteti i baterisë Li të bazuar në nanokompozitin SnO₂–grafen është i qëndrueshëm për rreth 120 cikle dhe bateria mund ta përsëriste në mënyrë të qëndrueshme reaksionin e ngarkimit–shkarkimit. (Deosakar et al., 2013)

Imazh TEM i nanokompozitit SnO₂–grafen të përgatitur me metodën sonokimike. Shiriti i shkallës tregon 10nm në (A) dhe 5nm në (B).
(Studimi dhe imazhet: ©Deosakar et al., 2013)

Dispergimi me ultratinguj i nanogrimcave në suspensionet për bateri

Dispergimi i përbërësve të elektrodës: Waser et al. (2011) përgatitën elektroda me fosfat hekuri dhe litiumi (LiFePO₄). Suspensioni përmbante LiFePO4 si material aktiv, të zezën e karbonit si aditiv përçues të elektricitetit, ndërsa fluoruri i polivinilidenit i tretur në N-metilpirrolidinon (NMP) u përdor si lidhës. Raporti i masave (pas tharjes) të AM/CB/PVDF në elektroda ishte 83/8,5/8,5. Për të përgatitur suspensionet, të gjithë përbërësit e elektrodës u përzien në NMP me një përzierës me ultratinguj (UP200H, Hielscher Ultrasonics) për 2 min në 200 W dhe 24 kHz.
Përçueshmëria e ulët elektrike dhe difuzioni i ngadaltë i joneve të litiumit përgjatë kanaleve njëdimensionale të LiFePO₄ mund të kapërcehen duke përfshirë LiFePO₄ në një matricë përçuese, p.sh. të zezën e karbonit. Meqë grimcat me përmasa nanometrike dhe strukturat e grimcave bërthamë–mbështjellëse përmirësojnë përçueshmërinë elektrike, teknologjia e dispergimit me ultratinguj dhe sinteza sonokimike e grimcave bërthamë–mbështjellëse mundësojnë prodhimin e nanokompoziteve superiore për aplikime në bateri.

Dispergimi i fosfatit të hekurit dhe litiumit: Ekipi kërkimor i Hagberg (Hagberg et al., 2018) përdori pajisjen me ultratinguj UP100H për përgatitjen e një elektrode pozitive strukturore të përbërë nga fibra karboni të veshura me fosfat hekuri dhe litiumi (LFP). Fibrat e karbonit janë tufa të vazhdueshme dhe vetëmbajtëse që veprojnë si kolektorë rryme dhe do të sigurojnë ngurtësi dhe rezistencë mekanike. Për performancë optimale, fibrat vishen individualisht, p.sh. duke përdorur depozitimin elektroforetik.
U testuan raporte të ndryshme masore të përzierjeve të përbëra nga LFP, CB dhe PVDF. Këto përzierje u aplikuan si veshje mbi fibrat e karbonit. Meqenëse shpërndarja johomogjene në banjën e veshjes mund të bëjë që përbërjet në këtë banjë të ndryshojnë nga përbërja në vetë veshjen, përdoret përzierje intensive me ultratinguj për të minimizuar këtë ndryshim.
Ata vunë re se grimcat janë relativisht mirë të disperguara në të gjithë veshjen, gjë që i atribuohet përdorimit të surfaktantit (Triton X-100) dhe hapit të trajtimit me ultratinguj përpara depozitimit elektroforetik.

Pamje SEM të prerjes tërthore dhe me zmadhim të lartë të fibrave të karbonit të veshura me EPD. Përzierja e LFP, CB dhe PVDF u homogjenizua me ultratinguj duke përdorur sonikatorin UP100H. Zmadhimet: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studimi dhe figura: ©Hagberg et al., 2018)

Dispergimi i materialit të përbërë të katodës LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) hulumtuan ndikimin e hapave të përpunimit, si trajtimi me ultratinguj, presioni dhe përbërja e materialit, për katodat e përbëra LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Elektrodat pozitive të përbëra përmbanin LiNi_0.5 Mn_1.5O4 në formë spineli si material aktiv, një përzierje grafiti dhe bloze karboni për rritjen e përçueshmërisë elektrike të elektrodës dhe ose fluorur polivinilideni (PVDF), ose një përzierje PVDF me një sasi të vogël Teflon® (1 wt%) për formimin e elektrodës. Ato u përpunuan me derdhje në shirit mbi një fletë alumini që shërbente si kolektor rryme, duke përdorur teknikën e tehut nivelues. Përveç kësaj, përzierjet e përbërësve ose u trajtuan me ultratinguj, ose jo, dhe elektrodat e përpunuara ose u ngjeshën, ose jo, gjatë presimit të mëpasshëm në të ftohtë. U testuan dy formulime:
Formulimi A (pa Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% blozë karboni; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
Formulimi B (me Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% blozë karboni; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Në të dyja rastet, përbërësit u përzien dhe u disperguan në N-metilpirrolidinon (NMP). Spineli LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), së bashku me përbërësit e tjerë në përqindjet e përcaktuara më sipër, u dispergua në 11 ml NMP. Në disa raste të veçanta, përzierja u trajtua me ultratinguj për 25 min dhe më pas u përzie në temperaturën e dhomës për 48 h. Në raste të tjera, përzierja vetëm u përzie në temperaturën e dhomës për 48 h, pra pa asnjë trajtim me ultratinguj. Trajtimi me ultratinguj nxit një dispergim homogjen të përbërësve të elektrodës dhe elektroda LNMS e përftuar duket më uniforme.
U përgatitën dhe u studiuan si elektroda pozitive për bateritë me jone litiumi elektroda të përbëra me masë të lartë për njësi sipërfaqeje, deri në 17mg/cm2. Shtimi i Teflon® dhe aplikimi i trajtimit me ultratinguj çojnë në elektroda uniforme që ngjiten mirë në fletën e aluminit. Të dy parametrat kontribuojnë në përmirësimin e kapacitetit të shkarkuar në ritme të larta (5C). Ngjeshja shtesë e bashkësive elektrodë/alumin përmirëson ndjeshëm aftësinë e elektrodave për të punuar në ritme të larta. Në ritmin 5C, vërehet një ruajtje e konsiderueshme e kapacitetit, midis 80% dhe 90%, për elektrodat me masa për njësi sipërfaqeje në intervalin 3–17mg/cm², që përmbajnë Teflon® në formulimin e tyre, të përgatitura pas trajtimit me ultratinguj të përzierjeve të përbërësve të tyre dhe të ngjeshura nën 2 tonë/cm².
Në përmbledhje, elektrodat që përmbanin 1 wt% Teflon® në formulimin e tyre, përzierjet e përbërësve të të cilave iu nënshtruan një trajtimi me ultratinguj, të ngjeshura në 2 tonë/cm2 dhe me masa për njësi sipërfaqeje në intervalin 2,7–17 mg/cm2, shfaqën një aftësi të konsiderueshme për të punuar në ritme të larta. Edhe në rrymën e lartë prej 5C, kapaciteti i normalizuar i shkarkimit ishte midis 80% dhe 90% për të gjitha këto elektroda. (shih Vidal et al., 2013)

Dispergues me ultratinguj me performancë të lartë për prodhimin e baterive

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan pajisje ultrasonike me fuqi dhe performancë të lartë, të cilat përdoren për përpunimin e materialeve të katodës, anodës dhe elektrolitit për përdorim në bateri me jone litiumi (LIB), bateri me jone natriumi (NIB) dhe qeliza të tjera baterish. Sistemet ultrasonike Hielscher përdoren për të sintetizuar nanokompozite, për të funksionalizuar nanogrimca dhe për të disperguar nanomateriale në suspensione homogjene e të qëndrueshme.
Duke ofruar një gamë procesorësh ultrasonikë nga shkalla laboratorike deri te shkalla plotësisht industriale, Hielscher është lideri i tregut për dispersues ultrasonikë me performancë të lartë. Me më shumë se 30 vjet punë në fushën e sintezës dhe zvogëlimit të përmasave të nanomaterialeve, Hielscher Ultrasonics ka përvojë të gjerë në përpunimin ultrasonik të nanogrimcave dhe ofron procesorët ultrasonikë më të fuqishëm dhe më të besueshëm në treg. Inxhinieria gjermane siguron teknologji të fjalës së fundit dhe cilësi të qëndrueshme.
Teknologjia e përparuar, performanca e lartë dhe softueri i sofistikuar i bëjnë ultrasonikatorët Hielscher pajisje pune të besueshme në procesin tuaj të prodhimit të elektrodave. Të gjitha sistemet ultrasonike prodhohen në selinë qendrore në Teltow, Gjermani, testohen për cilësi dhe qëndrueshmëri dhe më pas shpërndahen nga Gjermania në mbarë botën.
Pajisjet fizike të sofistikuara dhe softueri inteligjent i ultrasonikatorëve Hielscher janë projektuar për të garantuar funksionim të besueshëm, rezultate të riprodhueshme dhe lehtësi përdorimi. Ultrasonikatorët Hielscher janë të qëndrueshëm dhe ofrojnë performancë konstante, gjë që mundëson instalimin e tyre në mjedise kërkuese dhe përdorimin në kushte pune të rënda. Cilësimet e funksionimit mund të hapen dhe të rregullohen lehtësisht përmes një menyje intuitive, e cila mund të hapet përmes ekranit digjital me ngjyra dhe me prekje, si dhe përmes komandimit në distancë nga shfletuesi. Kështu, të gjitha kushtet e përpunimit, si energjia neto, energjia totale, amplituda, koha, presioni dhe temperatura, regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar. Kjo ju mundëson të rishikoni dhe të krahasoni ciklet e mëparshme të sonikimit dhe të optimizoni sintezën, funksionalizimin dhe dispergimin e nanomaterialeve dhe kompoziteve për të arritur efikasitetin më të lartë.
Sistemet Hielscher Ultrasonics përdoren në mbarë botën për sintezën sonokimike të nanomaterialeve dhe kanë dëshmuar besueshmëri në dispergimin e nanogrimcave në suspensione koloidale të qëndrueshme. Ultrasonikatorët industrialë Hielscher mund të punojnë vazhdimisht me amplituda të larta dhe janë ndërtuar për funksionim 24/7. Amplituda deri në 200µm mund të gjenerohen lehtësisht dhe vazhdimisht me sonotroda standarde (sonda / brirë ultrasonikë). Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara.
Procesorët ultrasonikë Hielscher për sintezë sonokimike, funksionalizim, nanostrukturim dhe deaglomerim janë instaluar tashmë në mbarë botën në shkallë komerciale. Na kontaktoni tani për të diskutuar hapin e procesit tuaj që përfshin nanomateriale për prodhimin e baterive! Stafi ynë me përvojë të gjerë do t’ju japë me kënaqësi më shumë informacion rreth rezultateve superiore të dispergimit, sistemeve ultrasonike me performancë të lartë dhe çmimeve!
Falë avantazhit të trajtimit me ultratinguj, prodhimi juaj i përparuar i elektrodave dhe elektroliteve do të shkëlqejë për efikasitet, thjeshtësi dhe kosto të ulët krahasuar me prodhuesit e tjerë të elektrodave!

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë: