Sonokemisk syntes av elektrodmaterial för batteriproduktion

Vid tillverkning av högpresterande battericeller är nanostrukturerade material och nanokompositer avgörande för överlägsen elektrisk ledningsförmåga, högre lagringstäthet, hög kapacitet och tillförlitlighet. För att nanomaterialens fulla funktionalitet ska uppnås måste nanopartiklar dispergeras individuellt eller exfolieras och kan behöva ytterligare bearbetningssteg såsom funktionalisering. Nanobearbetning med ultraljud är den överlägsna, effektiva och tillförlitliga tekniken för att framställa högpresterande nanomaterial och nanokompositer för avancerad batteriproduktion.

Ultraljudsdispergering av elektrokemiskt aktiva material i elektrodslurryer

Nanomaterial används som innovativa elektrodmaterial, vilket har lett till avsevärt förbättrad prestanda hos uppladdningsbara batterier. Att övervinna agglomerering, aggregering och fasseparation är avgörande vid beredning av slurryer för elektrodtillverkning, särskilt när material i nanostorlek ingår. Nanomaterial ökar batterielektrodernas aktiva yta, vilket gör att de kan ta upp mer energi under laddningscykler och öka sin totala energilagringskapacitet. För att dra full nytta av nanomaterial måste dessa nanostrukturerade partiklar redas ut och fördelas som separata partiklar i elektrodslurryn. Ultraljudsdispergeringsteknik ger koncentrerade krafter med hög skjuvverkan (sonomekaniska krafter) samt sonokemisk energi, vilket leder till blandning på atomnivå och komplexbildning av material i nanostorlek.
Nanopartiklar såsom grafen, kolnanorör (CNT), metaller och sällsynta jordartsmineral måste dispergeras jämnt i en stabil slurry för att erhålla elektrodmaterial med hög funktionalitet.
Exempelvis är grafen och CNT välkända för att förbättra battericellers prestanda, men partikelagglomerering måste övervinnas. Det innebär att en högpresterande dispergeringsteknik som kan bearbeta nanomaterial och eventuellt hantera hög viskositet är absolut nödvändig. Ultraljudsapparater av sondtyp är den högpresterande dispergeringsmetod som kan bearbeta nanomaterial tillförlitligt och effektivt även vid höga fastämneshalter.

Varför är ultraljudsbehandling den överlägsna tekniken för bearbetning av nanomaterial?

När andra dispergerings- och blandningstekniker såsom högskjuvblandare, pärlkvarnar eller högtryckshomogenisatorer når sina gränser är ultraljudsbehandling den metod som utmärker sig för bearbetning av mikro- och nanopartiklar.
Ultraljud med hög effekt och den akustiska kavitation som genereras av ultraljudet ger unika energiförhållanden och extrem energitäthet som gör det möjligt att deagglomerera eller exfoliera nanomaterial, funktionalisera dem, syntetisera nanostrukturer i processer som bygger upp dem underifrån och framställa högpresterande nanokompositer.
Eftersom Hielschers ultraljudsapparater möjliggör exakt styrning av de viktigaste parametrarna vid ultraljudsbearbetning såsom intensitet (Ws/mL), amplitud (µm), temperatur (ºC/ºF) och tryck (bar), kan bearbetningsförhållandena anpassas individuellt till optimala inställningar för varje material och process. Därmed är ultraljudsdispergerare mycket mångsidiga och kan användas för många tillämpningar, exempelvis dispergering av CNT, exfoliering av grafen, sonokemisk syntes av kärna–skal-partiklar eller funktionalisering av kiselnanopartiklar.

SEM-mikrografier av sonokemiskt framställt Na0.44MnO2 genom kalcinering vid 900°C i 2 h.
(Studie och bild: ©Shinde et al., 2019)

Läs mer om Hielschers industriella ultraljudsapparater för bearbetning av nanomaterial vid batteritillverkning!

Nedan hittar du olika ultraljudsdrivna tillämpningar för bearbetning av nanomaterial:

Ultraljudssyntes av nanokompositer

Ultraljudssyntes av grafen–SnO₂ -nanokomposit: Forskargruppen Deosakar et al. (2013) utvecklade en ultraljudsassisterad metod för att framställa en grafen–SnO2-nanokomposit. De undersökte kavitationseffekterna som genereras av högeffektsultraljud under syntesen av grafen–SnO2-komposit. För ultraljudsbehandlingen använde de en apparat från Hielscher Ultrasonics. Resultaten visar en med ultraljud förbättrad, finfördelad och jämn beläggning av SnO₂ på grafennanoark genom en oxidations–reduktionsreaktion mellan grafenoxid och SnCl₂·2H₂O jämfört med konventionella syntesmetoder.

Diagram som visar bildningsprocessen för grafenoxid och SnO₂–grafennanokomposit.
(Studie och bilder: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafennanokomposit har framgångsrikt framställts med en ny och effektiv ultraljudsassisterad metod för lösningsbaserad kemisk syntes, och grafenoxid reducerades av SnCl₂ till grafenark i närvaro av HCl. TEM-analys visar den jämna och finfördelade beläggningen av SnO₂ i grafennanoark. Kavitationseffekterna som uppstår vid ultraljudsbestrålning har visats förstärka den finfördelade och jämna beläggningen av SnO2 på grafennanoark under oxidations–reduktionsreaktionen mellan grafenoxid och SnCl₂·2H₂O. Den förstärkta finfördelade och jämna beläggningen av SnO2-nanopartiklar (3–5 nm) på reducerade grafennanoark tillskrivs den ökade kärnbildningen och transporten av lösta ämnen till följd av kavitationseffekten som induceras av ultraljudsbestrålning. En finfördelad och jämn beläggning av SnO₂ -nanopartiklar på grafennanoark bekräftades också genom TEM-analys. Användningen av syntetiserad SnO₂–grafennanokomposit som anodmaterial i litiumjonbatterier demonstreras. Kapaciteten hos Li-batteriet baserat på SnO₂–grafennanokomposit är stabil under omkring 120 cykler, och batteriet kunde upprepa en stabil laddnings–urladdningsreaktion. (Deosakar et al., 2013)

TEM-bild av SnO₂–grafennanokomposit framställd med sonokemisk metod. Skalstrecket anger 10nm i (A) och 5nm i (B).
(Studie och bilder: ©Deosakar et al., 2013)

Ultraljudsdispergering av nanopartiklar i batterislam

Dispergering av elektrodkomponenter: Waser et al. (2011) framställde elektroder med litiumjärnfosfat (LiFePO₄). Slammet innehöll LiFePO4 som aktivt material och kimrök som elektriskt ledande tillsats, och polyvinylidenfluorid löst i N-metylpyrrolidinon (NMP) användes som bindemedel. Massförhållandet (efter torkning) mellan AM/CB/PVDF i elektroderna var 83/8,5/8,5. För att bereda suspensionerna blandades alla elektrodbeståndsdelar i NMP med en ultraljudsomrörare (UP200H, Hielscher Ultrasonics) i 2 min vid 200 W och 24 kHz.
Låg elektrisk ledningsförmåga och långsam litiumjondiffusion längs de endimensionella kanalerna i LiFePO₄ kan övervinnas genom att bädda in LiFePO₄ i en ledande matris, t.ex. kimrök. Eftersom partiklar i nanostorlek och kärna–skal-partikelstrukturer förbättrar den elektriska ledningsförmågan möjliggör ultraljudsdispergeringsteknik och sonokemisk syntes av kärna–skal-partiklar framställning av överlägsna nanokompositer för batteritillämpningar.

Dispergering av litiumjärnfosfat: Hagbergs forskargrupp (Hagberg et al., 2018) använde ultraljudsapparaten UP100H för framställning av en strukturell positiv elektrod bestående av kolfibrer belagda med litiumjärnfosfat (LFP). Kolfibrerna är kontinuerliga, självbärande fiberknippen som fungerar som strömkollektorer och ger mekanisk styvhet och hållfasthet. För optimal prestanda beläggs fibrerna individuellt, t.ex. genom elektroforetisk deponering.
Olika viktförhållanden för blandningar bestående av LFP, CB och PVDF testades. Dessa blandningar applicerades som beläggning på kolfibrer. Eftersom sammansättningen i beläggningsbadet vid en inhomogen fördelning kan skilja sig från sammansättningen i själva beläggningen används kraftig omrörning med ultraljud för att minimera skillnaden.
De noterade att partiklarna är relativt väl dispergerade i hela beläggningen, vilket tillskrivs användningen av ett ytaktivt ämne (Triton X-100) och ultraljudsbehandlingen före den elektroforetiska deponeringen.

Tvärsnittsbilder och SEM-bilder med hög förstoring av kolfibrer belagda genom EPD. Blandningen av LFP, CB och PVDF homogeniserades med ultraljud med hjälp av ultraljudsapparaten UP100H. Förstoringar: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Studie och bild: ©Hagberg et al., 2018)

Dispergering av LiNi_0.5Mn_1.5O₄ -kompositkatodmaterial:
Vidal et al. (2013) undersökte inverkan av processteg såsom ultraljudsbehandling, tryck och materialsammansättning för LiNi_0.5Mn_1.5O₄-kompositkatoder.
Positiva kompositelektroder med LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinell som aktivt material, en blandning av grafit och kimrök för att öka elektrodens elektriska ledningsförmåga och antingen polyvinylidenfluorid (PVDF) eller en blandning av PVDF med en liten mängd Teflon® (1 wt%) för att bygga upp elektroden. De framställdes genom bandgjutning på en aluminiumfolie som strömkollektor med rakelmetoden. Dessutom ultraljudsbehandlades komponentblandningarna antingen eller inte, och de framställda elektroderna kompakterades antingen eller inte genom efterföljande kallpressning. Två formuleringar har testats:
A-formulering (utan Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% kimrök; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B-formulering (med Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% kimrök; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
I båda fallen blandades och dispergerades komponenterna i N-metylpyrrolidinon (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinell (2g) dispergerades tillsammans med de övriga komponenterna i de redan angivna procentandelarna i 11 ml NMP. I vissa specifika fall ultraljudsbehandlades blandningen i 25 min och omrördes sedan vid rumstemperatur i 48 h. I andra fall omrördes blandningen endast vid rumstemperatur i 48 h, dvs. utan någon ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandlingen främjar en homogen dispergering av elektrodkomponenterna och den erhållna LNMS-elektroden ser mer enhetlig ut.
Kompositelektroder med hög ytvikt, upp till 17mg/cm2, framställdes och undersöktes som positiva elektroder för litiumjonbatterier. Tillsatsen av Teflon® och användningen av ultraljudsbehandling leder till enhetliga elektroder som har god vidhäftning till aluminiumfolien. Båda parametrarna bidrar till att förbättra den uttagbara kapaciteten vid höga urladdningshastigheter (5C). Ytterligare kompaktering av elektrod/aluminium-enheterna förbättrar avsevärt elektrodernas förmåga att hantera höga laddnings- och urladdningshastigheter. Vid en urladdningshastighet på 5C uppvisar elektroder med ytvikter i intervallet 3–17mg/cm², som innehåller Teflon® i sin formulering, har framställts efter ultraljudsbehandling av sina komponentblandningar och kompakterats vid 2 ton/cm², en anmärkningsvärd kapacitetsretention på mellan 80% och 90%.
Sammanfattningsvis uppvisade elektroder som innehöll 1 wt% Teflon® i sin formulering, vars komponentblandningar hade ultraljudsbehandlats och som hade kompakterats vid 2 ton/cm2 och hade ytvikter i intervallet 2,7–17 mg/cm2 en anmärkningsvärd förmåga att hantera höga laddnings- och urladdningshastigheter. Även vid den höga strömmen på 5C låg den normaliserade urladdningskapaciteten mellan 80% och 90% för alla dessa elektroder. (jfr Vidal et al., 2013)

Högpresterande ultraljudsdispergerare för batteriproduktion

Hielscher Ultrasonics utvecklar, tillverkar och distribuerar högeffektiv ultraljudsutrustning med hög effekt som används för att bearbeta katod-, anod- och elektrolytmaterial för användning i litiumjonbatterier (LIB), natriumjonbatterier (NIB) och andra battericeller. Hielschers ultraljudssystem används för att syntetisera nanokompositer, funktionalisera nanopartiklar och dispergera nanomaterial till homogena, stabila suspensioner.
Med ett sortiment av ultraljudsprocessorer från laboratorieskala till full industriell skala är Hielscher marknadsledande inom högpresterande ultraljudsdispergerare. Hielscher Ultrasonics har arbetat med syntes och storleksreduktion av nanomaterial i mer än 30 år, har omfattande erfarenhet av bearbetning av nanopartiklar med ultraljud och erbjuder marknadens kraftfullaste och mest tillförlitliga ultraljudsprocessorer. Tysk ingenjörskonst ger toppmodern teknik och robust kvalitet.
Avancerad teknik, hög prestanda och sofistikerad programvara gör Hielschers ultraljudsapparater till tillförlitliga arbetshästar i din elektrodtillverkningsprocess. Alla ultraljudssystem tillverkas vid huvudkontoret i Teltow i Tyskland, testas med avseende på kvalitet och robusthet och distribueras sedan från Tyskland till hela världen.
Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran i Hielschers ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat och användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater är robusta och har jämn prestanda, vilket gör att de kan installeras i krävande miljöer och användas under tung belastning. Driftinställningarna är lätta att komma åt och justera via en intuitiv meny som kan nås via en digital pekskärm i färg och fjärrstyrning via webbläsare. Alla bearbetningsförhållanden, såsom nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur, registreras därför automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan granska och jämföra tidigare ultraljudsbehandlingar och optimera syntes, funktionalisering och dispergering av nanomaterial och kompositer för högsta effektivitet.
System från Hielscher Ultrasonics används över hela världen för sonokemisk syntes av nanomaterial och har visat sig vara tillförlitliga för dispergering av nanopartiklar till stabila kolloidala suspensioner. Hielschers industriella ultraljudsapparater kan arbeta kontinuerligt med höga amplituder och är byggda för drift dygnet runt, alla dagar i veckan. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt genereras kontinuerligt med standardsonotroder (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonotroder.
Hielschers ultraljudsprocessorer för sonokemisk syntes, funktionalisering, nanostrukturering och deagglomerering är redan installerade i kommersiell skala över hela världen. Kontakta oss nu för att diskutera ditt processteg som involverar nanomaterial för batteritillverkning! Vår mycket erfarna personal ger dig gärna mer information om överlägsna dispergeringsresultat, högpresterande ultraljudssystem och priser!
Med fördelarna hos ultraljudsbehandling kommer din avancerade elektrod- och elektrolytproduktion att utmärka sig genom effektivitet, enkelhet och låga kostnader jämfört med andra elektrodtillverkare!

Tabellen nedan ger dig en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: