U proizvodnji ćelija baterija visokih performansi, nanostrukturni materijali i nanokompoziti igraju važnu ulogu obezbeđujući superiornu električnu provodljivost, veću gustinu skladišta, veliki kapacitet i pouzdanost. Da bi se dostigle pune funkcionalnosti nanomaterijala, nano-čestice moraju biti pojedinačno raspršene ili eksfolirane i možda će biti potrebni dalji koraci obrade kao što je funkcionalnost. Ultrazvučna nano-obrada je superiorna, efikasnost i pouzdana tehnika proizvodnje nanomaterijala visokih performansi i nanokompozita za naprednu proizvodnju baterija.

Ultrazvučno raspršivanje elektrohemijski aktivnih materijala u Elektrodnim ljagama

Nanomaterijali se koriste kao inovativni elektrodni materijali, što je rezultiralo značajno poboljšanim performansama punjivih baterija. Prevazilaženje aglomeracije, agregacije i faznog razdvajanja je od ključnog značaja za pripremu ljage za proizvodnju elektroda, posebno kada su u pitanju materijali nano veličine. Nanomaterijali povećavaju aktivnu površinsku površinu elektroda baterije, što im omogućava da apsorbuju više energije tokom ciklusa punjenja i da povećaju svoj ukupni kapacitet skladištenja energije. Da bi se dobila puna prednost nanomaterijala, ove nano-strukturirane čestice moraju biti de-uplitanje i raspoređuje se kao odvojene čestice u mulju elektroda. Tehnologija ultrazvučnog raspršivanja obezbeđuje fokusirane visoko-čiste (sonomehničke) snage kao i sonohemijsku energiju, što dovodi do mešanja atomskog nivoa i kompleksnosti materijala nano veličine.
Nano-čestice kao što su grafen, ugljenične nanocevi (CNTs), metali i retki zemaljski minerali moraju se ravnomerno raspršiti u stabilnu mulju da bi se dobili visoko funkcionalni elektrodni materijali.
Na primer, grafen i CNTs su dobro poznati po poboljšanju performansi ćelija baterije, ali aglomeracija čestica mora biti prevaziđena. To znači da je apsolutno potrebna tehnika raspršivanja visokih performansi, sposobna za obradu nanomaterijala i verovatno visokih viskoznosti. Ultrazvučnici tipa sonde su metod raspršivanja visokih performansi, koji može da obrađuje nanomaterijale čak i pri visokim čvrstim opterećenjima pouzdano i efikasnosti.

Zašto je Sonikacija superiorna tehnika za nanomaterijsku obradu?

Kada druge tehnike raspršivanja i mešanja kao što su mešalice visokog šera, mlinovi za bead ili homogenizatori visokog pritiska dođu do svojih granica, ultrazvučnost je metod koji se izdvaja za obradu mikronskih i nano-čestica.
Ultrazvuk visoke snage i ultrazvučno generisana akustična kavitacija obezbeđuju jedinstvene energetske uslove i ekstremnu energetsku gustinu koja omogućava deagglomerataciju ili eksfolijaciju nanomaterijala, njihovu funkcionalnost, sintezu nanostruktura u procesima dna i pripremu nanokompozita visokih performansi.
Pošto Hielscher ultrazvučni sistemi omogućavaju preciznu kontrolu najvažnijih parametara ultrazvučne obrade kao što su intenzitet (Ws/mL), amplitude (μm), temperatura (ºC/ºF) i pritisak (traka), uslovi obrade se mogu pojedinačno podesiti na optimalna podešavanja za svaki materijal i proces. Atle su ultrazvučni raspršivači veoma svestrani i mogu se koristiti za brojne primene npr.

SEM mikrografi sonohemijski pripremljeni Na0.44MnO2 kalcinacijom na 900°C za 2 h.
(Studija i slika: ©Shinde et al., 2019)

Saznajte više o Hielscher industrijskim ultrazvučnicima za nanomaterijsku obradu u proizvodnji baterija!

U nastavku možete pronaći razne ultrasonično vođene aplikacije nanomaterijske obrade:

Ultrazvučna sinteza nanokompsita

Ultrazvučna sinteza grafena–SnO₂ nanokompozit: Istraživački tim Deosakar et al. (2013) razvio je ultrasonično potpomognutu rutu za pripremu grafena–SnO2 nanokompozita. Istraživali su kavitacione efekte koje je generisao ultrazvuk visoke snage tokom sinteze grafena–SnO2 kompozita. Za sonikaciju su koristili Hielscher Ultrasonics uređaj. Rezultati pokazuju ultrazvučno poboljšano fino i ujednačeno učitavanje SnO-a₂ on graphene nanosheets by oxidation-reduction reaction between graphene oxide and SnCl₂· 2H₂O u poređenju sa konvencionalnim metodama sinteze.

Grafikon koji demonstrira proces formiranja grafena oksida i SnO₂Grafen nanokompozit.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂grafenski nanokompsit je uspešno pripremljen kroz roman i efikasan ultrazvuk je pomogao putem hemijske sinteze zasnovane na rastvoru, a grafen oksid je smanjen od strane SnCl-a₂ na grafenske čaršave u prisustvu HCl. TEM analize pokazuje ujednačeno i fino učitavanje SnO₂ u grafen nanosheets. Pokazalo se da kavitacioni efekti proizvedeni usled upotrebe ultrazvučnih iracionalnosti intenziviraju fino i ujednačeno učitavanje SnO2 na grafenske nanoshete tokom oksidacije-redukcione reakcije između grafen oksida i SnCl-a₂· 2H₂O. Intenzivirano fino i ujednačeno učitavanje SnO2 nanočestica (3–5 nm) na smanjene grafenske nanoshete pripisuje se poboljšanom prenosu jezgra i rastvora zbog kavitacionog efekta izazvanog ultrazvučnim iracionalnostima. Fino i ujednačeno utovaranje SnO₂ nanočestice na grafenim nanoshetima su takođe potvrđene iz TEM analize. Primena sintetisani SnO₂–Demonstrira se grafen nanokompozit kao anodni materijal u litijum jonskim baterijama. Kapacitet SnO₂–grafen nanokompozit baziran na Li-bateriji je stabilan oko 120 ciklusa, a baterija bi mogla da ponovi stabilnu reakciju punjenja– pražnjenja. (Deosakar et al., 2013)

TEM slika SnO₂–grafen nano-kompozit pripremljen sonohemijskom metodom. Bar označava na (A) 10nm , na (B) na 5nm.
(Studija i slike: ©Deosakar et al., 2013)

Ultrazvučno raspršivanje nanočestica u ljagu baterije

Raspršivanje komponenti elektora: Waser et al. (2011) pripremio elektrode sa litijum gvožđem fosfat (LiFePO₄). Mulj je sadržao LiFePO4 kao aktivni materijal, ugljenično crn kao električni provodni aditiv, poliviniliden fluorid rastvoren u N-metilpyrrolidinone (NMP) korišćen je kao povez. Odnos mase (nakon sušenja) AM/CB/PVDF u elektrodama je bio 83/8.5/8.5. Da bi se pripremile suspenzije, svi elektrodni birači su bili pomešani u NMP-u sa ultrazvučnim stirerom (UP200H, Hielscher Ultrasonics) za 2 min na 200 W i 24 kHz.
Niska električna provodljivost i spora Li-jonska difuzija duž jednodimenzionalnih kanala LiFePO-a₄ može se prevazići ugrađivanje LiFePO-a₄ u provodničkoj matrici, npr. Kako čestice nano veličine i strukture čestica jezgra poboljšavaju električnu provodljivost, tehnologija ultrazvučnog raspršivanja i sonohemijska sinteza čestica jezgra omogućavaju proizvodnju superiornih nanokompsita za primenu baterija.

Raspršivanje litijumskog gvožđa fosfat: Istraživački tim Hagberga (Hagberg et al., 2018) je koristio ultrazvučni UP100H za postupak strukturne pozitivne elektrode koja se sastoji od litijum gvožđa fosfata (LFP) premazanih ugljeničnim vlaknima. Ugljenična vlakna su kontinuirana, samostalna touka deluju kao aktuelni kolekcionari i obezbediće mehaničku ukočenost i snagu. Za optimalne performanse vlakna se premazuju pojedinačno, npr. koristeći elektroforetičko taloženje.
Testiran je različit odnos težine mešavina koje se sastoje od LFP, CB i PVDF. Ove mešavine su bile obložene ugljeničnim vlaknima. S obzirom na to da se nehomogena raspodela u sastavu kupanja premaza može razlikovati od sastava u samom premazu, rigorozno mešanje ultrazvukom se koristi da se razlika svede na najmanju moguću moguću razliku.
Oni su istakli da se čestice relativno dobro raspršuju po celom premazu koji se pripisuje upotrebi surfaktanta (Triton X-100) i ultrazvučnom koraku pre taloženja elektroforetike.

Presek i visoko uvećanje SEM slika EPD premazanih ugljeničnim vlaknima. Mešavina LFP, CB i PVDF je ultrasonično homogenizovana koristeći ultrazvučni UP100H. Uvećanja: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(Studija i slika: ©Hagberg et al., 2018)

Rasterećenje Lini_0.5Mn_1,5O₄ kompozitni katodni materijal:
Vidal et al. (2013) je istraživao uticaj procesnih koraka kao što su sonication, pritisak i materijalni sastav za LiNi_0.5Mn_1,5O₄kompozitne katode.
Pozitivne kompozitne elektrode imaju LiNi_0.5 Mn_1,5O4 kičma kao aktivni materijal, spoj grafita i ugljenično crne za povećanje električne provodljivosti elektroda i ili polivinildenefluorid (PVDF) ili mešavina PVDF sa malom količinom Teflona® (1 wt%) za izgradnju elektrode. Oni su obrađeni bacanjem trake na aluminijumsku foliju kao trenutni kolekcionar koristeći tehniku sečiva lekara. Pored toga, komponentne mešavine su bile sonične ili ne, a obrađene elektrode su sažete ili nisu bile pod naknadnim hladnim pritiskom. Testirane su dve formulacije:
A-Formulacija (bez Teflona®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1,5O4; 7,5 wt% Carbon black; 2,5 wt% Graphite; 12 wt% PVDF
B-Formulacija (sa Teflonom®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1,5O4; 7.5wt% Carbon black; 2,5 wt% Graphite; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
U oba slučaja komponente su bile pomešane i raspršene u N-metilpyrrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1,5O4 kičma (2g) zajedno sa ostalim komponentama u pomenutim procentima već postavljena je raspršena u 11 ml NMP- a. U nekim konkretnim slučajevima smesa je bila sonikirana 25 min, a zatim mešana na sobnoj temperaturi za 48 h. Kod nekih drugih, smesa je samo mešana na sobnoj temperaturi 48 h, ili bez ikakvog sonika. Tretman sonication promoviše homogeno raspršivanje elektrodnih komponenti i dobijena LNMS-elektroda izgleda ujednačenije.
Kompozitne elektrode sa visokom težinom, do 17mg/cm2, pripremljene su i proučavane kao pozitivne elektrode za litijum-jonske baterije. Dodatak Teflona i primena® tretmana sonication dovode do ujednačenih elektroda koje se dobro pridržavaju aluminijumske folije. Oba parametra doprinose poboljšanju kapaciteta isušenog visokim stopama (5C). Dodatno sažimanje elektroda/aluminijumskih sklopova izuzetno pospešuje mogućnosti elektrode. Brzinom od 5C, izuzetna zadržavanja kapaciteta između 80% i 90% se nalaze za elektrode sa tegovima u opsegu 3-17mg/cm², imajući Teflon u® formulaciji, pripremljen nakon sonicije njihovih komponenti mešavine i sažet ispod 2 tone/cm².
Ukratko, elektrode koje imaju 1 wt% Teflon® u formulaciji, njihove komponente se stapaju podvrgnute tretmanu sonication, sažete na 2 tone/cm2 i sa tegovima u opsegu 2,7-17 mg/cm2 su pokazale zavidnu brzinu. Čak i sa visokom strujom od 5C, normalizovani kapacitet pražnjenja bio je između 80 i 90% za sve ove elektrode. (cf. Vidal et al., 2013)

Ultrazvučni raspršivači visokih performansi za proizvodnju baterije

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira ultrazvučnu opremu visokih performansi, koja se koristi za obradu katodnih, anodnih i elektrolitskih materijala za upotrebu u litijum-jonskim baterijama (LIB), natrijum-jonskim baterijama (NIB) i drugim ćelijama baterije. Hielscher ultrazvučni sistemi se koriste sintetišu nanokompsite, funkcionalizuju nanočestice i raspršuju nanomaterijale u homogene, stabilne suspenzije.
Nudeći portfolio od laboratorije do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher je tržišni lider za ultrazvučne raspršivače visokih performansi. Radeći više od 30 godina u oblasti nanomaterijske sinteze i smanjenja veličine, Hielscher Ultrasonics ima veliko iskustvo u ultrazvučnoj nanočesnoj obradi i nudi najmoćnije i najpouzdanije ultrazvučne procesore na tržištu. Nemački inženjering pruža najmonišnu tehnologiju i snažan kvalitet.
Napredna tehnologija, visoke performanse i sofisticirani softver pretvaraju Hielscher ultrazvučnike u pouzdane radne konje u vašem procesu proizvodnje elektroda. Svi ultrazvučni sistemi proizvedeni su u sedištu u Teltou, u Nemačkoj, testirani su na kvalitet i robustnost i zatim se distribuiraju iz Nemačke širom sveta.
Sofisticirani hardverski i pametni softver Hielscher ultrazvučnih uređaja dizajniran je da garantuje pouzdan rad, reproduktivne ishode, kao i user-friendliness. Hielscher ultrazvučni uređaji su robusni i dosledni u performansama, što omogućava da se ugrade u zahtevna okruženja i da se njima upravlja u teškim uslovima. Operativnim postavkama se može lako pristupiti i birati poziv putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog prikaza boja osetljivog na dodir i daljinskog upravljača pregledača. Zbog toga se svi uslovi obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplitude, vreme, pritisak i temperatura automatski beleže na ugrađenoj SD kartici. To vam omogućava da korigujete i uporedite prethodne sonication runs i optimizujete sintezu, funkcionalnost i raspršivanje nanomaterijala i kompozita sa najvećom efikasnošću.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom sveta za sonohemijsku sintezu nanomaterijala i dokazano su pouzdani za raspršivanje nanočestica u stabilne koloidne suspenzije. Hielscher industrijski ultrazvučnici mogu neprekidno da pokreću visoke amplitude i izgrađeni su za 24/7 operaciju. Amplitude do 200μm se mogu lako kontinuirano generisati standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi). Za još veće amplitude dostupni su prilagođeni ultrazvučni sonotrodi.
Hielscher ultrazvučni procesori za sonohemijsku sintezu, funkcionalizaciju, nano-strukturiranje i deagglomeraciju već su instalirani širom sveta u komercijalnim razmerama. Kontaktirajte nas odmah da biste razmotrili vaš procesni korak koji uključuje nanomaterijale za proizvodnju baterija! Naše dobro iskusno osoblje će rado podeliti više informacija o superiornim rezultatima raspršivanja, ultrazvučnim sistemima visokih performansi i cenama!
Sa prednošću ultrazvuka, vaša napredna proizvodnja elektroda i elektrolita će se izvrsiti u efikasnosti, jednostavnosti i niskoj ceni u poređenju sa drugim proizvođačima elektroda!

Табела испод показује приближни капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: