Sinteza sonokimike e materialeve elektrodë për prodhimin e baterive

Në prodhimin e qelizave të baterive me performancë të lartë, materialet me nanostrukturë dhe nanokompozitët luajnë një rol të rëndësishëm duke siguruar përçueshmëri elektrike superiore, densitet më të lartë të ruajtjes, kapacitet dhe besueshmëri të lartë. Në mënyrë që të arrihen funksionalitete të plota të nanomaterialeve, nano-grimcat duhet të shpërndahen ose shtresohen individualisht dhe mund të kenë nevojë për hapa të mëtejshëm të përpunimit, siç është funksionalizimi. Nano-përpunimi tejzanor është teknika superiore, efikase dhe e besueshme për të prodhuar nanomateriale dhe nanokompozit me performancë të lartë për prodhim të avancuar të baterive.

Shpërndarja tejzanor e materialeve elektrokimike aktive në llumrat e elektrodave

Nanomaterialet përdoren si materiale elektrodë novatore, të cilat rezultuan në përmirësim të ndjeshëm të performancës së baterive të ringarkueshme. Tejkalimi i grumbullimit, grumbullimit dhe ndarjes fazore është vendimtar për përgatitjen e llumrave për prodhimin e elektrodave, veçanërisht kur përfshihen materiale me madhësi nano. Nanomaterialet rrisin sipërfaqen aktive të elektrodave të baterisë, gjë që u lejon 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 avantazhin e plotë të nanomaterialeve, këto grimca të strukturuara me nano duhet të jenë të shkëputura dhe të shpërndahen si grimca të veçanta në llumin e elektrodës. Teknologjia e shpërndarjes tejzanor siguron forca të përqendruara me prerje të lartë (sonometeknike) si dhe energji sonokimike, e cila çon në përzierjen dhe kompleksimin në nivel atomik të materialeve me madhësi nano.
Nano-grimcat si grafeni, nanotubat e karbonit (CNTs), metalet dhe mineralet e tokës së rralla duhet të shpërndahen në mënyrë uniforme në një pluhur të qëndrueshëm në mënyrë që të përftohen materiale elektrodë shumë funksionale.
Për shembull, grafeni dhe CNT-të njihen mirë se përmirësojnë performancën e qelizave të baterisë, por grumbullimi i grimcave duhet të kapërcehet. Kjo do të thotë se kërkohet absolutisht një teknikë dispersioni me performancë të lartë, e aftë për të përpunuar nanomateriale dhe ndoshta viskozitete të larta. Ultrasonikët e tipit sonda janë metoda e shpërndarjes me performancë të lartë, e cila mund të përpunojë nanomaterialet edhe në ngarkesa të larta të ngurta në mënyrë të besueshme dhe efikase.

Pse Sonication është teknika superiore për përpunimin e nanomaterialeve?

Kur teknikat e tjera të shpërndarjes dhe përzierjes si miksera me prerje të lartë, mullinj me rruaza ose homogjenizues me presion të lartë arrijnë në kufijtë e tyre, ultratingulli është metoda që dallohet për përpunimin e grimcave mikron dhe nano.
Ekografia me fuqi të lartë dhe kavitacioni akustik i gjeneruar në mënyrë ultrasonike sigurojnë kushte unike të energjisë dhe densitet ekstrem të energjisë që lejon deagglomerimin ose shtresimin e nanomaterialeve, funksionalizimin e tyre, sintetizimin e nanostrukturave në proceset nga poshtë lart dhe përgatitjen e nanokompoziteve me performancë të lartë.
Meqenëse ultrasonikët Hielscher lejojnë kontrollin e saktë të parametrave më të rëndësishëm të përpunimit tejzanor si intensiteti (Ws/mL), amplituda (µm), temperatura (ºC/ºF) dhe presioni (bar), kushtet e përpunimit mund të akordohen individualisht në cilësimet optimale për çdo material dhe proces. Prandaj, dispersuesit tejzanor janë shumë të gjithanshëm dhe mund të përdoren për aplikime të shumta, p.sh. shpërndarja e CNT, shtresimi i grafenit, sinteza sonokimike e grimcave të guaskës bërthamore ose funksionalizimi i nanogrimcave të silikonit.

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

Mësoni më shumë rreth ultrasonikëve industrialë Hielscher për përpunimin e nanomaterialeve në prodhimin e baterive!

Më poshtë mund të gjeni aplikacione të ndryshme të përpunimit të nanomaterialeve të drejtuara nga ultratingulli:

Sinteza tejzanor e nanokompoziteve

Sinteza tejzanor e grafen-SnO₂ nanokompozit: Ekipi hulumtues i Deosakar et al. (2013) zhvilloi një rrugë të asistuar me ultratinguj për të përgatitur një nanokompozit grafen-SnO2. Ata hetuan efektet kavitacionale të krijuara nga ultrazërit me fuqi të lartë gjatë sintezës së përbërjes grafen-SnO2. Për sonikacion, ata përdorën një pajisje Hielscher Ultrasonics. Rezultatet demonstrojnë një ngarkim të mirë dhe uniform të SnO të përmirësuar në mënyrë ultrasonike₂ në nanofletët e grafenit nga reaksioni oksido-reduktues ndërmjet oksidit të grafenit dhe SnCl₂· 2H₂O në krahasim me metodat konvencionale të sintezës.

Grafik që demonstron procesin e formimit të oksidit të grafenit dhe SnO₂– nanokompozit grafen.
(Studim dhe fotografi: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂-Nanokompoziti i grafenit është përgatitur me sukses përmes një rruge të re dhe efektive të sintezës kimike të bazuar në zgjidhje me ndihmën e ultrazërit dhe oksidi i grafenit u reduktua nga SnCl₂ te fletët e grafenit në prani të HCl. Analiza TEM tregon ngarkesën uniforme dhe fine të SnO₂ në nanofletë grafeni. Efektet kavitacionale të prodhuara për shkak të përdorimit të rrezatimeve ultrasonike janë treguar se intensifikojnë ngarkesën e imët dhe uniforme të SnO2 në nanofletët e grafenit gjatë reaksionit të oksidimit-reduktimit midis oksidit të grafenit dhe SnCl.₂· 2H₂O. Ngarkimi i imët dhe uniform i intensifikuar i nanogrimcave SnO2 (3-5 nm) në nanofletat e reduktuara të grafenit i atribuohet bërthamimit të zgjeruar dhe transferimit të substancave të tretura për shkak të efektit kavitacional të shkaktuar nga rrezatimet ultrasonike. Ngarkimi i imët dhe uniform i SnO₂ Nanogrimcat në nanofletë grafeni u konfirmuan gjithashtu nga analiza TEM. Aplikimi i SnO të sintetizuar₂– është demonstruar nanokompoziti i grafenit si material anodë në bateritë me jon litium. Kapaciteti i SnO₂– Bateria Litumi me bazë nanokompoziti grafeni është e qëndrueshme për rreth 120 cikle, dhe bateria mund të përsërisë një reagim të qëndrueshëm ngarkim-shkarkim. (Deosakar et al., 2013)

Imazhi TEM i SnO₂– nanokompozit grafen i përgatitur me metodën sonokimike. Shiriti tregon në (A) 10 nm, në (B) në 5 nm.
(Studim dhe fotografi: ©Deosakar et al., 2013)

Shpërndarja tejzanor e nanogrimcave në llucë baterish

Shpërndarja e përbërësve të elektodës: Waser et al. (2011) përgatitën elektroda me fosfat litium hekuri (LiFePO₄). Slurri përmbante LiFePO4 si material aktiv, karbon të zi si një aditiv elektrik përçues, fluori poliviniliden i tretur në N-metilpirrolidinon (NMP) u përdor si lidhës. Raporti i masës (pas tharjes) i 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 tejzanor (UP200H, Hielscher Ultrasonics) për 2 minuta në 200 W dhe 24 kHz.
Përçueshmëri e ulët elektrike dhe difuzion i ngadaltë i Li-ionit përgjatë kanaleve njëdimensionale të LiFePO₄ mund të kapërcehet duke futur LiFePO₄ në një matricë përcjellëse, p.sh. karboni i zi. Meqenëse grimcat me madhësi nano dhe strukturat e grimcave bërthamore përmirësojnë përçueshmërinë elektrike, teknologjia e dispersionit tejzanor dhe sinteza sonokimike e grimcave të bërthamës lejojnë prodhimin e nanokompoziteve superiore për aplikimet e baterive.

Shpërndarja e fosfatit të hekurit të litiumit: Ekipi hulumtues i Hagberg (Hagberg et al., 2018) përdori ultrasonikator UP100H për procedurën e elektrodës pozitive strukturore të përbërë nga fibra karboni të veshura me fosfat hekuri litium (LFP). Fijet e karbonit janë tërheqje të vazhdueshme, vetë-qëndruese që veprojnë si kolektorë të rrymës dhe do të ofrojnë ngurtësi dhe forcë mekanike. Për performancë optimale, fibrat janë të veshura individualisht, p.sh. duke përdorur depozitimin elektroforetik.
Janë testuar raporte të ndryshme të peshës së përzierjeve të përbëra nga LFP, CB dhe PVDF. Këto përzierje u mbuluan me fibra karboni. Meqenëse shpërndarja johomogjene në përbërjet e banjës së veshjes mund të ndryshojë nga përbërja në vetë veshjen, përdoret përzierja rigoroze me ultratinguj për të minimizuar diferencën.
Ata vunë në dukje se grimcat shpërndahen relativisht mirë në të gjithë veshjen, gjë që i atribuohet përdorimit të surfaktantit (Triton X-100) dhe hapit të ultrazërit përpara depozitimit elektroforetik.

Imazhet SEM me prerje tërthore dhe me zmadhim të lartë të fibrave të karbonit të veshura me EPD. Përzierja e LFP, CB dhe PVDF u homogjenizua në mënyrë ultrasonike duke përdorur ultrasonikator UP100H. Zmadhimet: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studimi dhe fotografia: ©Hagberg et al., 2018)

Dispersioni i LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Materiali i përbërë i katodës:
Vidal etj. (2013) hetoi ndikimin e hapave të përpunimit si sonikimi, presioni dhe përbërja e materialit për LiNi_0.5Mn_1.5O₄katoda të përbëra.
Elektroda kompozite pozitive që kanë LiNi_0.5 Mn_1.5Spinel O4 si material aktiv, një përzierje grafiti dhe karboni i zi për rritjen e përçueshmërisë elektrike të elektrodës dhe ose polivinildenfluorid (PVDF) ose një përzierje PVDF me një sasi të vogël Teflon® (1 wt%) për ndërtimin e elektrodës. Ato janë përpunuar duke hedhur shirit në një letër alumini si kolektor aktual duke përdorur teknikën e tehut doktor. Për më tepër, përzierjet e komponentëve u sonikuan ose jo, dhe elektrodat e përpunuara u kompaktuan ose jo nën presionin e mëvonshëm të ftohtë. Janë testuar dy formulime:
A-Formulimi (pa Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% karboni i zi; 2,5 wt% Grafit; 12 % wt PVDF
B-Formulimi (me Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7.5 wt% karboni i zi; 2,5 wt% Grafit; 11 wt% PVDF; 1% peshë Teflon®
Në të dyja rastet, përbërësit u përzien dhe u shpërndanë në N-metilpirrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5Spinel O4 (2 g) së bashku me përbërësit e tjerë në përqindjet e përmendura tashmë të vendosura u shpërnda në 11 ml NMP. Në disa raste të veçanta, përzierja u sonikua për 25 minuta dhe më pas u trazua në temperaturën e dhomës për 48 orë. Në disa të tjera, përzierja u trazua në temperaturën e dhomës për 48 orë, pra pa asnjë sonikacion. Trajtimi me sonikacion promovon një shpërndarje homogjene të përbërësve të elektrodës dhe elektroda LNMS e marrë duket më uniforme.
Elektroda të përbëra me peshë të madhe, deri në 17mg/cm2, u përgatitën dhe u studiuan si elektroda pozitive për bateritë litium-jon. Shtimi i Teflon® dhe aplikimi i trajtimit të sonikacionit çojnë në elektroda uniforme që ngjiten mirë në fletën e aluminit. Të dy parametrat kontribuojnë në përmirësimin e kapacitetit të kulluar me ritme të larta (5C). Ngjeshja shtesë e montimeve të elektrodës/aluminit rrit në mënyrë të jashtëzakonshme aftësitë e shpejtësisë së elektrodës. Me shpejtësinë 5C, mbajtje të jashtëzakonshme të kapacitetit midis 80% dhe 90% gjenden për elektroda me pesha në intervalin 3-17 mg/cm², që kanë Teflon® në formulimin e tyre, të përgatitur pas sonikimit të përzierjeve të tyre përbërëse dhe të ngjeshura nën 2 ton/cm².
Si përmbledhje, elektrodat që kanë 1% peshë Teflon® në formulimin e tyre, përzierjet e tyre përbërëse të nënshtruara një trajtimi me sonikacion, të ngjeshur në 2 ton/cm2 dhe me pesha në intervalin 2,7-17 mg/cm2, treguan një aftësi të jashtëzakonshme shpejtësie. Edhe në rrymën e lartë prej 5C, kapaciteti i normalizuar i shkarkimit ishte midis 80% dhe 90% për të gjitha këto elektroda. (krh. Vidal et al., 2013)

Dispersues tejzanor me performancë të lartë për prodhimin e baterive

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan pajisje ultrasonike me fuqi të lartë dhe me performancë të lartë, të cilat përdoren për përpunimin e materialeve katodë, anodë dhe elektrolite për përdorim në bateritë litium-jon (LIB), bateritë me jon natriumi (NIB) dhe të tjera qelizat e baterisë. Sistemet tejzanor Hielscher përdoren për sintetizimin e nanokompoziteve, funksionalizimin e nanogrimcave dhe shpërndarjen e nanomaterialeve në suspensione homogjene dhe të qëndrueshme.
Duke ofruar një portofol nga laboratori deri te procesorët ultrasonikë të shkallës plotësisht industriale, Hielscher është lideri i tregut për dispersuesit e ultrazërit me performancë të lartë. Duke punuar për më shumë se 30 vjet në fushën e sintezës së nanomaterialeve dhe zvogëlimit të madhësisë, Hielscher Ultrasonics ka përvojë të gjerë në përpunimin e nanopartikulave tejzanor dhe ofron procesorët ultrasonikë më të fuqishëm dhe më të besueshëm në treg. Inxhinieria gjermane ofron teknologji më të fundit dhe cilësi të fortë.
Teknologjia e avancuar, softueri me performancë të lartë dhe i sofistikuar i kthejnë ultrasonikët Hielscher në kuaj pune të besueshëm në procesin e prodhimit të elektrodave tuaja. Të gjitha sistemet ultrasonike prodhohen në selinë në Teltow, Gjermani, testohen për cilësi dhe qëndrueshmëri dhe më pas shpërndahen nga Gjermania në të gjithë botën.
Hardueri i sofistikuar dhe softueri inteligjent i ultrasonikëve Hielscher janë krijuar për të garantuar funksionim të besueshëm, rezultate të riprodhueshme, si dhe lehtësi për përdoruesit. Ultrasonikët Hielscher janë të fuqishëm dhe të qëndrueshëm në performancë, gjë që lejon instalimin e tyre në mjedise kërkuese dhe përdorimin e tyre në kushte të rënda pune. Cilësimet operative mund të aksesohen dhe thirren lehtësisht nëpërmjet menysë intuitive, e cila mund të aksesohet nëpërmjet ekranit me prekje dixhitale me ngjyra dhe telekomandës së shfletuesit. Prandaj, 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 lejon të rishikoni dhe krahasoni ekzekutimet e mëparshme të sonikimit dhe të optimizoni sintezën, funksionalizimin dhe shpërndarjen e nanomaterialeve dhe përbërjeve me efikasitetin më të lartë.
Sistemet Hielscher Ultrasonics përdoren në mbarë botën për sintezën sonokimike të nanomaterialeve dhe janë provuar të jenë të besueshme për shpërndarjen e nanogrimcave në suspensione të qëndrueshme koloidale. Ultrasonikët industrialë Hielscher mund të funksionojnë vazhdimisht me amplituda të larta dhe janë ndërtuar për funksionim 24/7. Amplituda deri në 200µm mund të gjenerohen lehtësisht vazhdimisht me sonotroda standarde (sonda tejzanor / brirë). Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara.
Procesorët tejzanor Hielscher për sintezën sonokimike, funksionalizimin, nano-strukturimin dhe deagglomerimin janë instaluar tashmë në të gjithë botën në shkallë komerciale. Na kontaktoni tani për të diskutuar hapin tuaj të procesit që përfshin nanomaterialet për prodhimin e baterive! Stafi ynë me përvojë të mirë do të jetë i lumtur të ndajë më shumë informacion rreth rezultateve superiore të shpërndarjes, sistemeve ultrasonike me performancë të lartë dhe çmimeve!
Me avantazhin e ultrazërit, prodhimi juaj i avancuar i elektrodave dhe elektroliteve do të shkëlqejë në efikasitet, thjeshtësi dhe kosto të ulët kur krahasohet me prodhuesit e tjerë të elektrodave!

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: