Сонохемијска синтеза материјала електрода за производњу батерија
У производњи батеријских ћелија високих перформанси, наноструктурирани материјали и нанокомпозити играју важну улогу пружајући супериорну електричну проводљивост, већу густину складиштења, висок капацитет и поузданост. Да би се постигле пуне функционалности наноматеријала, нано-честице морају бити појединачно дисперговане или ољуштене и можда ће бити потребни даљи кораци обраде као што је функционализација. Ултразвучна нано-обрада је супериорна, ефикасна и поуздана техника за производњу наноматеријала и нанокомпозита високих перформанси за напредну производњу батерија.
Ултразвучна дисперзија електрохемијски активних материјала у електродним суспензијама
Наноматеријали се користе као иновативни материјали за електроде, што је резултирало значајно побољшаним перформансама пуњивих батерија. Превазилажење агломерације, агрегације и раздвајања фаза је кључно за припрему суспензије за производњу електрода, посебно када су у питању материјали нано величине. Наноматеријали повећавају активну површину акумулаторских електрода, што им омогућава да апсорбују више енергије током циклуса пуњења и да повећају свој укупни капацитет складиштења енергије. Да би се добила пуна предност наноматеријала, ове нано-структуриране честице морају да се размрсе и дистрибуирају као засебне честице у суспензији електроде. Ултразвучна технологија дисперговања обезбеђује фокусиране силе високог смицања (сономеханичке) као и сонохемијску енергију, што доводи до мешања на атомском нивоу и комплексирања материјала нано-величине.
Наночестице као што су графен, угљеничне наноцеви (ЦНТ), метали и минерали ретких земаља морају бити равномерно дисперговани у стабилну суспензију да би се добили високо функционални материјали за електроде.
На пример, добро је познато да графен и ЦНТ побољшавају перформансе батерија, али агломерација честица мора бити превазиђена. То значи да је техника дисперзије високих перформанси, способна да обрађује наноматеријале и могуће високе вискозности, апсолутно неопходна. Ултрасоникатори типа сонде су метода дисперговања високих перформанси, која може поуздано и ефикасно да обрађује наноматеријале чак и при великим чврстим оптерећењима.
- Дисперзија наносфера, наноцеви, наножица, наношипова, нанобркова
- Пилинг нанолистова и 2Д материјала
- Синтеза нанокомпозита
- Синтеза честица језгро-љуска
- Функционализација наночестица (допиране / украшене честице)
- Нано-структурирање
Зашто је соникација врхунска техника за обраду наноматеријала?
Када друге технике дисперговања и мешања, као што су мешалице са високим смицањем, млинови за перле или хомогенизатори високог притиска, дођу до својих граница, ултразвучна обрада је метода која се истиче за обраду микрона и нано-честица.
Ултразвук велике снаге и ултразвучно генерисана акустична кавитација обезбеђују јединствене енергетске услове и екстремну густину енергије која омогућава деагломерацију или пилинг наноматеријала, њихову функционализацију, синтезу наноструктура у процесима одоздо према горе и припрему нанокомпозита високих перформанси.
Пошто Хиелсцхер ултрасоникатори омогућавају прецизну контролу најважнијих параметара ултразвучне обраде као што су интензитет (Вс/мЛ), амплитуда (µм), температура (ºЦ/ºФ) и притисак (бар), услови обраде могу се индивидуално подесити на оптимална подешавања за сваки материјал и процес. Због тога су ултразвучни дисперзатори веома разноврсни и могу се користити за бројне примене, на пример, ЦНТ дисперзију, ексфолијацију графена, сонохемијску синтезу честица љуске језгра или функционализацију силицијумских наночестица.

СЕМ микрофотографије сонохемијски припремљеног На0,44МнО2 калцинацијом на 900°Ц током 2 х.
(Студија и слика: ©Схинде ет ал., 2019)
- Високе перформансе, висока ефикасност
- прецизно контролисан
- Подешава се на апликацију
- индустријски разред
- Линеарно скалабилно
- Лако, безбедно руковање
- Исплативо
Испод можете пронаћи различите ултразвучно вођене примене обраде наноматеријала:
Ултразвучна синтеза нанокомпозита
Ултразвучна синтеза графена-СнО2 нанокомпозит: Истраживачки тим Деосакара ет ал. (2013) развили су ултразвучни пут за припрему нанокомпозита графен-СнО2. Они су истраживали кавитационе ефекте које генерише ултразвук велике снаге током синтезе композита графен-СнО2. За соникацију су користили уређај Хиелсцхер Ултрасоницс. Резултати показују ултразвучно побољшано фино и равномерно пуњење СнО2 на нанолистовима графена реакцијом оксидације-редукције између оксида графена и СнЦл2·2Х2О у поређењу са конвенционалним методама синтезе.

График који показује процес формирања графен оксида и СнО2-графенски нанокомпозит.
(Студија и слике: ©Деосакар ет ал., 2013)
СнО2– нанокомпозит графена је успешно припремљен новим и ефикасним путем хемијске синтезе засноване на раствору уз помоћ ултразвука, а графен оксид је редукован СнЦл2 на графенске листове у присуству ХЦл. ТЕМ анализа показује равномерно и фино оптерећење СнО2 у нанолистовима графена. Показало се да кавитациони ефекти који настају услед употребе ултразвучног зрачења интензивирају фино и равномерно оптерећење СнО2 на нанолимовима графена током оксидационо-редукционе реакције између оксида графена и СнЦл2·2Х2О. Интензивирано фино и равномерно оптерећење наночестица СнО2 (3–5 нм) на редуковане наноплоче графена се приписује појачаној нуклеацији и преносу раствора услед кавитационог ефекта изазваног ултразвучним зрачењем. Фино и равномерно пуњење СнО2 наночестице на графенским нанолистовима је такође потврђено из ТЕМ анализе. Примена синтетизованог СнО2– приказан је нанокомпозит графена као анодни материјал у литијум-јонским батеријама. Капацитет СнО2– Ли-батерија заснована на графенском нанокомпозиту је стабилна око 120 циклуса, а батерија би могла поновити стабилну реакцију пуњења-пражњења. (Деосакар ет ал., 2013)

Индустријски систем за мешање са 4к ултразвучних апарата од 4000 вати модела УИП4000хдТ за обраду наноматеријала електродних једињења.
Ултразвучна дисперзија наночестица у суспензију батерија
Дисперзија компоненти електрода: Васер ет ал. (2011) припремили су електроде са литијум гвожђе фосфатом (ЛиФеПО4). Суспензија је садржала ЛиФеПО4 као активни материјал, чађу као електрично проводљив адитив, поливинилиден флуорид растворен у Н-метилпиролидинону (НМП) је коришћен као везиво. Масени однос (након сушења) АМ/ЦБ/ПВДФ у електродама био је 83/8,5/8,5. Да би се припремиле суспензије, сви састојци електроде су помешани у НМП са ултразвучном мешалицом (УП200Х, Хиелсцхер Ултрасоницс) 2 мин на 200 В и 24 кХз.
Ниска електрична проводљивост и спора Ли-јонска дифузија дуж једнодимензионалних канала ЛиФеПО4 може се превазићи уградњом ЛиФеПО4 у проводној матрици, нпр. чађи. Како честице нано величине и структуре честица језгро-љуска побољшавају електричну проводљивост, технологија ултразвучне дисперзије и сонохемијска синтеза честица језгро-љуска омогућавају производњу врхунских нанокомпозита за примену у батеријама.
Дисперзија литијум гвожђе фосфата: Истраживачки тим Хагберга (Хагберг ет ал., 2018) користио је ултрасоникатор УП100Х за поступак структуралне позитивне електроде која се састоји од угљеничних влакана обложених литијум гвожђе-фосфатом (ЛФП). Карбонска влакна су непрекидна, самостојећа вуча која се понашају као колектори струје и обезбеђују механичку крутост и снагу. За оптималне перформансе, влакна се премазују појединачно, нпр. коришћењем електрофоретског наношења.
Испитивани су различити тежински односи смеша које се састоје од ЛФП, ЦБ и ПВДФ. Ове мешавине су обложене на карбонска влакна. Пошто се нехомогена дистрибуција у композицијама купатила за облагање може разликовати од састава у самом премазу, користи се ригорозно мешање ултразвуком да би се разлика умањила.
Они су приметили да су честице релативно добро дисперговане по целом премазу што се приписује употреби сурфактанта (Тритон Кс-100) и кораку ултразвучне обраде пре електрофоретског таложења.

СЕМ слике попречног пресека и великог увећања ЕПД пресвучених угљеничних влакана. Мешавина ЛФП, ЦБ и ПВДФ је ултразвучно хомогенизована коришћењем ултрасоникатор УП100Х. Увећања: а) 0,8кк, б) 0,8кк, ц) 1,5кк, д) 30кк.
(Студија и слика: ©Хагберг ет ал., 2018)
Дисперзија ЛиНи0.5Мн1.5О4 композитни материјал катоде:
Видал и др. (2013) истраживали су утицај корака обраде као што су соникација, притисак и састав материјала за ЛиНи0.5Мн1.5О4композитне катоде.
Позитивне композитне електроде које имају ЛиНи0.5 Мн1.5О4 спинел као активни материјал, мешавина графита и чађе за повећање електричне проводљивости електроде и или поливинилденфлуорида (ПВДФ) или мешавине ПВДФ-а са малом количином Тефлон® (1 теж.%) за изградњу електроде. Обрађени су ливењем траке на алуминијумској фолији као струјни колектор техником доктора. Поред тога, мешавине компоненти су или соникиране или не, а обрађене електроде су сабијене или не под накнадним хладним пресовањем. Две формулације су тестиране:
А-Формулација (без Тефлон®): 78 теж% ЛиНи0.5 Мн1.5О4; 7,5 теж% чађе; 2,5 теж% графита; 12 теж% ПВДФ
Б-Формулација (са Тефлоном®): 78 теж.% ЛиНиО0.5Мн1.5О4; 7,5 теж% чађе; 2,5 теж% графита; 11 теж% ПВДФ; 1 теж% Тефлон®
У оба случаја, компоненте су помешане и дисперговане у Н-метилпиролидинону (НМП). ЛиНи0.5 Мн1.5О4 спинел (2г) заједно са осталим компонентама у већ постављеним процентима је диспергован у 11 мл НМП. У неким посебним случајевима, смеша је ултразвучна током 25 минута, а затим мешана на собној температури 48 х. У неким другим, смеша је само мешана на собној температури 48 х, тј. без икакве соникације. Третман ултразвуком промовише хомогену дисперзију компоненти електроде и добијена ЛНМС-електрода изгледа уједначеније.
Припремљене су и проучаване композитне електроде велике тежине, до 17 мг/цм2, као позитивне електроде за литијум-јонске батерије. Додавање Тефлон®-а и примена третмана соникацијом доводе до уједначених електрода које су добро приањане за алуминијумску фолију. Оба параметра доприносе побољшању капацитета који се дренира при високим стопама (5Ц). Додатно сабијање склопова електрода/алуминијум значајно повећава могућности брзине електрода. При стопи од 5Ц, значајно задржавање капацитета између 80% и 90% се налази за електроде са тежинама у опсегу 3-17мг/цм2, који имају Тефлон® у својој формулацији, припремљени након соникације мешавина њихових компоненти и сабијени испод 2 тоне/цм2.
Укратко, електроде које имају 1 теж% Тефлон® у својој формулацији, њихове мешавине компоненти подвргнуте соникационој обради, сабијене при 2 тоне/цм2 и са тежинама у опсегу 2,7-17 мг/цм2 показале су изузетну способност брзине. Чак и при високој струји од 5Ц, нормализовани капацитет пражњења је био између 80% и 90% за све ове електроде. (уп. Видал ет ал., 2013)

Ултрасоникатор УИП1000хдТ (1000В, 20кХз) за обраду наноматеријала у серијском или проточном режиму.
Ултразвучни дисперзатори високих перформанси за производњу батерија
Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултразвучну опрему велике снаге, високих перформанси, која се користи за обраду катодних, анодних и електролитних материјала за употребу у литијум-јонским батеријама (ЛИБ), натријум-јонским батеријама (НИБ) и другим батеријске ћелије. Хиелсцхер ултразвучни системи се користе за синтетизовање нанокомпозита, функционализацију наночестица и дисперговање наноматеријала у хомогене, стабилне суспензије.
Нудећи портфељ од лабораторијских до потпуно индустријских ултразвучних процесора, Хиелсцхер је лидер на тржишту за ултразвучне дисперзере високих перформанси. Радећи више од 30 година у области синтезе наноматеријала и смањења величине, Хиелсцхер Ултрасоницс има велико искуство у ултразвучној обради наночестица и нуди најмоћније и најпоузданије ултразвучне процесоре на тржишту. Немачки инжењеринг обезбеђује најсавременију технологију и робустан квалитет.
Напредна технологија, високе перформансе и софистицирани софтвер претварају Хиелсцхер ултрасоникаторе у поуздане радне коње у вашем процесу производње електрода. Сви ултразвучни системи се производе у седишту у Телтову у Немачкој, тестирају се на квалитет и робусност, а затим се дистрибуирају из Немачке широм света.
Софистицирани хардвер и паметни софтвер Хиелсцхер ултрасоникатора су дизајнирани да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате као и једноставност за коришћење. Хиелсцхер ултрасоникатори су робусни и доследни у перформансама, што им омогућава да се инсталирају у захтевним окружењима и да раде у тешким условима. Оперативним подешавањима се може лако приступити и бирати их преко интуитивног менија, коме се може приступити преко дигиталног екрана осетљивог на додир у боји и даљинског управљача претраживача. Због тога се сви услови обраде као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура аутоматски снимају на уграђену СД картицу. Ово вам омогућава да ревидирате и упоредите претходне серије соникације и да оптимизујете синтезу, функционализацију и дисперзију наноматеријала и композита до највеће ефикасности.
Хиелсцхер Ултрасоницс системи се користе широм света за сонохемијску синтезу наноматеријала и доказано су поуздани за дисперзију наночестица у стабилне колоидне суспензије. Хиелсцхер индустријски ултрасоникатори могу континуирано радити високе амплитуде и направљени су за рад 24 сата дневно. Амплитуде до 200 µм могу се лако континуирано генерисати са стандардним сонотродама (ултразвучне сонде / рогови). За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде.
Хиелсцхер ултразвучни процесори за сонохемијску синтезу, функционализацију, нано-структурирање и деагломерацију су већ инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о вашем кораку процеса који укључује наноматеријале за производњу батерија! Нашем искусном особљу ће бити драго да подели више информација о врхунским резултатима дисперзије, ултразвучним системима високих перформанси и ценама!
Уз предност ултразвучне обраде, ваша напредна производња електрода и електролита ће се одликовати ефикасношћу, једноставношћу и ниском ценом у поређењу са другим произвођачима електрода!
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
---|---|---|
1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Литература / Референце
- Deosarkar, M.P.; Pawar, S.M.; Sonawane, S.H.; Bhanvase, B.A. (2013): Process intensification of uniform loading of SnO2 nanoparticles on graphene oxide nanosheets using a novel ultrasound assisted in situ chemical precipitation method. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 70, 2013. 48–54.
- Mari Yamamoto, Masanari Takahashi, Yoshihiro Terauchi, Yasuyuki Kobayashi, Shingo Ikeda, Atsushi Sakuda (2017): Fabrication of composite positive electrode sheet with high active material content and effect of fabrication pressure for all-solid-state battery. Journal of the Ceramic Society of Japan, Volume 125, Issue 5, 2017. 391-395.
- Waser Oliver; Büchel Robert; Hintennach Andreas; Novák P, Pratsinis SE (2011): Continuous flame aerosol synthesis of carbon-coated nano-LiFePO(4) for Li-ion batteries. Journal of Aerosol Science 42(10), 2011. 657-667.
- Hagberg, Johan; Maples, Henry A.; Alvim, Kayne S.P.; Xu, Johanna; Johannisson, Wilhelm; Bismarck, Alexander; Zenkert, Dan; Lindbergh, Göran (2018): Lithium iron phosphate coated carbon fiber electrodes for structural lithium ion batteries. Composites Science and Technology 2018. 235-243.
- Vidal, Elena; Rojo, José María; García-Alegre Sánchez, María del Carmen; Guinea, Domingo; Soto, Erika; Amarilla, José Manuel (2013): Effect of composition, sonication and pressure on the rate capability of 5 V-LiNi0.5Mn1.5O4 composite cathodes. Electrochimica Acta Vol. 108, 2013. 175-181.
- Park, C.W., Lee, JH., Seo, J.K. et al. (2021): Graphene collage on Ni-rich layered oxide cathodes for advanced lithium-ion batteries. Nature Communication 12, 2021.
- Tang, Jialiang; Kye, Daniel Kyungbin; Pol, Vilas G. (2018): Ultrasound-assisted synthesis of sodium powder as electrode additive to improve cycling performance of sodium-ion batteries. Journal of Power Sources, 396, 2018. 476–482.
- Shinde, Ganesh Suryakant; Nayak, Prem Depan; Vanam, Sai Pranav; Jain, Sandeep Kumar; Pathak, Amar Deep; Sanyal, Suchismita; Balachandran, Janakiraman; Barpanda, Prabeer (2019): Ultrasonic sonochemical synthesis of Na0.44MnO2 insertion material for sodium-ion batteries. Journal of Power Sources, 416, 2019. 50–55.

Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лаб до индустријска величина.