Сонохемијска синтеза електродних материјала за производњу батерија

У производњи батеријских ћелија високих перформанси, наноструктурирани материјали и нанокомпозити имају важну улогу јер обезбеђују супериорну електричну проводљивост, веће густине складиштења енергије, висок капацитет и поузданост. Да би се постигла пуна функционалност наноматеријала, наночестице се морају појединачно дисперговати или ексфолирати, а могу бити потребни и додатни кораци обраде, као што је функционализација. Ултразвучна нанообрада је супериорна, делотворна и поуздана техника за производњу наноматеријала и нанокомпозита високих перформанси за напредну производњу батерија.

Ултразвучно дисперговање електрохемијски активних материјала у електродним суспензијама

Наноматеријали се користе као иновативни електродни материјали, што је довело до знатно побољшаних перформанси пуњивих батерија. Превазилажење агломерације, агрегације и раздвајања фаза пресудно је за припрему суспензија за производњу електрода, нарочито када се користе материјали нанометарских димензија. Наноматеријали повећавају активну површину батеријских електрода, што им омогућава да апсорбују више енергије током циклуса пуњења и повећају свој укупан капацитет складиштења енергије. Да би се у потпуности искористиле предности наноматеријала, ове наноструктуриране честице морају се размрсити и распоредити као засебне честице у електродној суспензији. Технологија ултразвучног дисперговања обезбеђује усмерене силе високог смицања (сономеханичке силе), као и сонохемијску енергију, што доводи до мешања на атомском нивоу и комплексирања материјала нанометарских димензија.
Наночестице као што су графен, угљеничне наноцеви (CNTs), метали и минерали ретких земаља морају се равномерно дисперговати у стабилну суспензију како би се добили високофункционални електродни материјали.
На пример, добро је познато да графен и CNTs побољшавају перформансе батеријских ћелија, али се агломерација честица мора превазићи. То значи да је апсолутно неопходна техника дисперговања високих перформанси, способна да обрађује наноматеријале и, по потреби, смеше високе вискозности. Ултразвучни уређаји са сондом представљају методу дисперговања високих перформанси, која може поуздано и делотворно да обрађује наноматеријале чак и при високим уделима чврсте фазе.

Зашто је соникација супериорна техника за обраду наноматеријала?

Када друге технике дисперговања и мешања, као што су мешалице са високим смицањем, млинови са перлама или хомогенизатори високог притиска, достигну своја ограничења, ултразвучна обрада је метода која се истиче у обради микрочестица и наночестица.
Ултразвук велике снаге и акустична кавитација створена ултразвуком обезбеђују јединствене енергетске услове и изузетно високу густину енергије, што омогућава деагломерацију или ексфолијацију наноматеријала, њихову функционализацију, синтезу наноструктура поступцима одоздо нагоре и припрему нанокомпозита високих перформанси.
Пошто ултразвучни уређаји Hielscher омогућавају прецизну контролу најважнијих параметара ултразвучне обраде, као што су интензитет (Ws/mL), амплитуда (µm), температура (ºC/ºF) и притисак (bar), услови обраде могу се појединачно подесити на оптималне вредности за сваки материјал и процес. Стога су ултразвучни диспергатори веома свестрани и могу се користити за бројне примене, нпр. дисперговање CNT, ексфолијацију графена, сонохемијску синтезу честица са структуром језгро–омотач или функционализацију наночестица силицијума.

SEM микрографије Na0.44MnO2 припремљеног сонохемијским поступком уз калцинацију на 900°C током 2 h.
(Студија и слика: ©Shinde et al., 2019)

Сазнајте више о индустријским ултразвучним уређајима Hielscher за обраду наноматеријала у производњи батерија!

У наставку су наведене различите примене обраде наноматеријала помоћу ултразвука:

Ултразвучна синтеза нанокомпозита

Ултразвучна синтеза нанокомпозита графен–SnO₂ : Истраживачки тим Deosakar и сар. (2013) развио је поступак припреме нанокомпозита графен–SnO2 уз помоћ ултразвука. Истраживали су кавитационе ефекте које ствара ултразвук велике снаге током синтезе композита графен–SnO2. За соникацију су користили уређај Hielscher Ultrasonics. Резултати показују да ултразвук побољшава фино и равномерно наношење SnO₂ на графенске нанолистове оксидационо–редукционом реакцијом између графен-оксида и SnCl₂·2H₂O у поређењу са конвенционалним методама синтезе.

Дијаграм који приказује процес формирања графен-оксида и нанокомпозита SnO₂–графен.
(Студија и слике: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–графен нанокомпозит успешно је припремљен новим и ефикасним поступком хемијске синтезе у раствору уз помоћ ултразвука, а графен-оксид је редукован помоћу SnCl₂ до графенских листова у присуству HCl. TEM анализа показује равномерно и фино наношење SnO₂ у графенским нанолистовима. Показано је да кавитациони ефекти настали услед ултразвучног озрачивања интензивирају фино и равномерно наношење SnO2 на графенске нанолистове током оксидационо–редукционе реакције између графен-оксида и SnCl₂·2H₂O. Интензивирано фино и равномерно наношење наночестица SnO2 (3–5 nm) на редуковане графенске нанолистове приписује се појачаној нуклеацији и преносу растворене супстанце услед кавитационог ефекта изазваног ултразвучним озрачивањем. Фино и равномерно наношење наночестица SnO₂ на графенске нанолистове такође је потврђено TEM анализом. Приказана је примена синтетисаног нанокомпозита SnO₂–графен као анодног материјала у литијум-јонским батеријама. Капацитет литијумске батерије засноване на нанокомпозиту SnO₂–графен стабилан је током око 120 циклуса, а батерија је могла да понавља стабилну реакцију пуњења–пражњења. (Deosakar et al., 2013)

TEM снимак нанокомпозита SnO₂–графен припремљеног сонохемијском методом. Скала означава 10nm на (A), а 5nm на (B).
(Студија и слике: ©Deosakar et al., 2013)

Ултразвучно дисперговање наночестица у суспензијама за батерије

Дисперговање компонената електроде: Waser и сар. (2011) припремили су електроде са литијум-гвожђе-фосфатом (LiFePO₄). Суспензија је садржала LiFePO4 као активни материјал, чађ као електрично проводљив додатак, док је поливинилиден-флуорид растворен у N-метилпиролидинону (NMP) коришћен као везиво. Масени однос (након сушења) AM/CB/PVDF у електродама износио је 83/8,5/8,5. За припрему суспензија, све компоненте електроде мешане су у NMP ултразвучном мешалицом (UP200H, Hielscher Ultrasonics) током 2 min при 200 W и 24 kHz.
Ниска електрична проводљивост и спора дифузија литијумових јона дуж једнодимензионалних канала LiFePO₄ могу се превазићи уградњом LiFePO₄ у проводљиву матрицу, нпр. чађ. Пошто честице нанометарских димензија и честичне структуре језгро–омотач побољшавају електричну проводљивост, технологија ултразвучног дисперговања и сонохемијска синтеза честица језгро–омотач омогућавају производњу нанокомпозита врхунских својстава за примену у батеријама.

Дисперговање литијум-гвожђе-фосфата: Истраживачки тим Hagberg (Hagberg et al., 2018) користио је ултразвучни уређај UP100H за израду структурне позитивне електроде која се састоји од угљеничних влакана обложених литијум-гвожђе-фосфатом (LFP). Угљенична влакна су континуални, самоносећи снопови који служе као струјни колектори и обезбеђиваће механичку крутост и чврстоћу. За оптималне перформансе, влакна се облажу појединачно, нпр. електрофоретским таложењем.
Испитани су различити масени односи смеша које се састоје од LFP, CB и PVDF. Ове смеше су наношене на угљенична влакна. Пошто се услед нехомогене расподеле састав у купатилу за наношење превлаке може разликовати од састава саме превлаке, примењује се интензивно мешање ултразвуком како би се та разлика свела на минимум.
Истраживачи су приметили да су честице релативно добро дисперговане у целој превлаци, што се приписује употреби сурфактанта (Triton X-100) и кораку ултразвучне обраде пре електрофоретског таложења.

Попречни пресек и SEM снимци угљеничних влакана обложених поступком EPD при великом увећању. Смеша LFP, CB и PVDF ултразвучно је хомогенизована помоћу ултразвучног уређаја UP100H. Увећања: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Студија и слика: ©Hagberg et al., 2018)

Дисперговање композитног катодног материјала LiNi_0.5Mn_1.5O₄ :
Vidal et al. (2013) испитивали су утицај корака обраде, као што су ултразвучна обрада, притисак и састав материјала, на композитне катоде LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Позитивне композитне електроде садрже спинел LiNi_0.5 Mn_1.5O4 као активни материјал, смешу графита и чађи за повећање електричне проводљивости електроде и поливинилиден-флуорид (PVDF) или смешу PVDF са малом количином Teflon® (1 wt%) за формирање електроде. Израђене су ливењем траке на алуминијумску фолију као струјни колектор, применом технике наношења ракелом. Поред тога, смеше компонената су биле подвргнуте ултразвучној обради или су остављене без ње, а обрађене електроде су биле сабијане накнадним хладним пресовањем или су остављене без сабијања. Испитане су две формулације:
Формулација A (без Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% чађи; 2,5 wt% графита; 12 wt% PVDF
Формулација B (са Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% чађи; 2,5 wt% графита; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
У оба случаја, компоненте су мешане и дисперговане у N-метилпиролидинону (NMP). Спинел LiNi_0.5 Mn_1.5O4 (2g), заједно са осталим компонентама у већ наведеним процентима, диспергован је у 11 ml NMP. У неким конкретним случајевима, смеша је ултразвучно обрађивана 25 min, а затим мешана на собној температури 48 h. У другим случајевима, смеша је само мешана на собној температури 48 h, тј. без икакве ултразвучне обраде. Ултразвучна обрада подстиче хомогено дисперговање компонената електроде, а добијена LNMS електрода изгледа уједначеније.
Припремљене су композитне електроде велике масе по јединици површине, до 17mg/cm2, и испитане као позитивне електроде за литијум-јонске батерије. Додавање Teflon® и примена ултразвучне обраде доводе до уједначених електрода које добро приањају за алуминијумску фолију. Оба параметра доприносе побољшању капацитета који се остварује при високим брзинама пражњења (5C). Додатно сабијање склопова електрода/алуминијум значајно побољшава способност електрода за рад при високим брзинама пуњења и пражњења. При брзини од 5C, значајно задржавање капацитета између 80% и 90% утврђено је за електроде са масама по јединици површине у опсегу 3–17mg/cm², које у својој формулацији садрже Teflon®, припремљене су након ултразвучне обраде смеша њихових компонената и сабијене под притиском од 2 тоне/cm².
Укратко, електроде које у својој формулацији садрже 1 wt% Teflon®, чије су смеше компонената подвргнуте ултразвучној обради, сабијене при 2 тоне/cm2 и са масама по јединици површине у опсегу 2,7–17 mg/cm2, показале су изузетну способност рада при високим брзинама пуњења и пражњења. Чак и при високој струји од 5C, нормализовани капацитет пражњења био је између 80% и 90% за све ове електроде. (уп. Vidal et al., 2013)

Ултразвучни диспергатори високих перформанси за производњу батерија

Hielscher Ultrasonics пројектује, производи и дистрибуира ултразвучну опрему велике снаге и високих перформанси, која се користи за обраду катодних, анодних и електролитских материјала за употребу у литијум-јонским батеријама (LIB), натријум-јонским батеријама (NIB) и другим батеријским ћелијама. Ултразвучни системи Hielscher користе се за синтезу нанокомпозита, функционализацију наночестица и дисперговање наноматеријала у хомогене, стабилне суспензије.
Са понудом ултразвучних процесора од лабораторијских до потпуно индустријских размера, Hielscher је тржишни лидер у области ултразвучних диспергатора високих перформанси. Са више од 30 година рада у области синтезе наноматеријала и смањења величине честица, Hielscher Ultrasonics има богато искуство у ултразвучној обради наночестица и нуди најснажније и најпоузданије ултразвучне процесоре на тржишту. Немачко инжењерство обезбеђује најсавременију технологију и робустан квалитет.
Напредна технологија, високе перформансе и софистицирани софтвер чине ултразвучне уређаје Hielscher поузданим ослонцем у вашем процесу производње електрода. Сви ултразвучни системи производе се у седишту компаније у Телтову, у Немачкој, испитују се у погледу квалитета и робусности, а затим се из Немачке дистрибуирају широм света.
Софистицирани хардвер и паметни софтвер ултразвучних уређаја Hielscher осмишљени су тако да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате и једноставну употребу. Ултразвучни уређаји Hielscher су робусни и имају постојане перформансе, што омогућава њихово постављање у захтевним окружењима и рад под великим оптерећењем. Радним подешавањима може се лако приступити и она се могу подешавати путем интуитивног менија, доступног преко дигиталног екрана у боји осетљивог на додир и даљинског управљања преко прегледача. Тако се сви услови обраде, као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура, аутоматски бележе на уграђеној SD картици. То вам омогућава да прегледате и упоредите претходне циклусе соникације и оптимизујете синтезу, функционализацију и дисперговање наноматеријала и композита ради постизања највеће ефикасности.
Системи Hielscher Ultrasonics користе се широм света за сонохемијску синтезу наноматеријала и доказано су поуздани за дисперговање наночестица у стабилне колоидне суспензије. Индустријски ултразвучни уређаји Hielscher могу непрекидно да раде при високим амплитудама и конструисани су за рад 24/7. Амплитуде до 200µm могу се лако и непрекидно генерисати стандардним сонотродама (ултразвучним сондама / роговима). За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери.
Ултразвучни процесори Hielscher за сонохемијску синтезу, функционализацију, наноструктурирање и деагломерацију већ су инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да бисмо разговарали о кораку вашег процеса који укључује наноматеријале за производњу батерија! Наше веома искусно особље радо ће вам пружити више информација о врхунским резултатима дисперговања, ултразвучним системима високих перформанси и ценама!
Захваљујући предностима ултразвучне обраде, ваша напредна производња електрода и електролита истицаће се ефикасношћу, једноставношћу и ниским трошковима у поређењу са другим произвођачима електрода!

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: