Sonokemisk syntes av elektrodmaterial för batteriproduktion

Vid tillverkning av högpresterande battericeller spelar nanostrukturerade material och nanokompositer en viktig roll som ger överlägsen elektrisk ledningsförmåga, högre lagringsdensitet, hög kapacitet och tillförlitlighet. För att nanomaterialen ska fungera fullt ut måste nanopartiklarna dispergeras individuellt eller exfolieras och kan behöva ytterligare bearbetningssteg, t.ex. funktionalisering. Ultraljud nanobearbetning är den överlägsna, effektiva och pålitliga tekniken för att producera högpresterande nanomaterial och nanokompositer för avancerad batteriproduktion.

Ultraljudsdispersion av elektrokemiskt aktiva material i elektrodsuppslamningar

Nanomaterial används som innovativa elektrodmaterial, vilket har lett till att de uppladdningsbara batterierna har förbättrats avsevärt. Att övervinna agglomeration, aggregering och fasseparation är avgörande för framställning av slurryer för elektrodtillverkning, särskilt när material i nanostorlek är inblandade. Nanomaterial ökar den aktiva ytan på batterielektroder, vilket gör att de kan absorbera mer energi under laddningscykler och öka sin totala energilagringskapacitet. För att få full nytta av nanomaterial måste dessa nanostrukturerade partiklar avtrasslas och distribueras som separata partiklar i elektrodslurryn. Ultraljudsdispergeringsteknik ger fokuserade högskjuvningskrafter (sonotekniska) samt sonokemisk energi, vilket leder till blandning och komplexbildning på atomnivå av material i nanostorlek.
Nanopartiklar som grafen, kolnanorör (CNT), metaller och sällsynta jordartsmetaller måste disperseras jämnt i en stabil slurry för att få mycket funktionella elektrodmaterial.
Till exempel är grafen och CNT välkända för att förbättra battericellernas prestanda, men partikelagglomerering måste övervinnas. Detta innebär att det är absolut nödvändigt med en högpresterande dispersionsteknik som kan bearbeta nanomaterial och eventuellt höga viskositeter. Ultraljudsapparater av sondtyp är den högpresterande dispergeringsmetoden, som kan bearbeta nanomaterial även vid höga fasta belastningar på ett tillförlitligt och effektivt sätt.

Varför är ultraljudsbehandling den överlägsna tekniken för bearbetning av nanomaterial?

När andra dispergerings- och blandningstekniker som blandare med hög skjuvning, pärlkvarnar eller högtryckshomogenisatorer kommer till sina gränser, är ultraljud den metod som sticker ut för bearbetning av mikron och nanopartiklar.
Ultraljud med hög effekt och den ultraljudsgenererade akustiska kavitationen ger unika energiförhållanden och extrem energitäthet som gör det möjligt att deagglomerera eller exfoliera nanomaterial, att funktionalisera dem, syntetisera nanostrukturer i bottom-up-processer och att framställa högpresterande nanokompositer.
Eftersom Hielscher ultraljudsapparater möjliggör exakt kontroll av de viktigaste ultraljudsbearbetningsparametrarna såsom intensitet (Ws / ml), amplitud (μm), temperatur (ºC / ºF) och tryck (bar), kan bearbetningsförhållandena ställas in individuellt för att optimala inställningar för varje material och process. Därmed är ultraljudsdispergare mycket mångsidiga och kan användas för många applikationer, t.ex. CNT-dispersion, grafenexfoliering, sonokemisk syntes av kärnskalpartiklar eller funktionalisering av kiselnanopartiklar.

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

Lär dig mer om Hielscher industriella ultraljudsapparater för bearbetning av nanomaterial vid batteritillverkning!

Nedan hittar du olika ultraljudsdrivna tillämpningar av bearbetning av nanomaterial:

Ultraljudssyntes av nanokompositer

Ultraljudssyntes av grafen–SnO₂ Nanokomposit: Forskargruppen under Deosakar et al. (2013) utvecklade en ultraljudsassisterad väg för att framställa en grafen-SnO2-nanokomposit. De undersökte de kavitationella effekterna som genereras av ultraljud med hög effekt under syntesen av grafen-SnO2-komposit. För ultraljudsbehandling använde de en Hielscher Ultrasonics-enhet. Resultaten visar en ultraljudsmässigt förbättrad fin och jämn laddning av SnO₂ på grafennanoark genom oxidations-reduktionsreaktion mellan grafenoxid och SnCl₂·2H₂O jämfört med konventionella syntesmetoder.

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

SnO (SnO)₂–grafennanokomposit har framgångsrikt framställts genom en ny och effektiv ultraljudsassisterad lösningsbaserad kemisk syntesväg och grafenoxid reducerades med SnCl₂ till grafenark i närvaro av HCl. TEM-analys visar enhetlig och fin belastning av SnO₂ i nanoark av grafen. De kavitationella effekterna som produceras på grund av användningen av ultraljudsbestrålning har visat sig intensifiera den fina och enhetliga belastningen av SnO2 på grafennanoark under oxidations-reduktionsreaktion mellan grafenoxid och SnCl₂·2H₂O. Den intensifierade fina och enhetliga laddningen av SnO2-nanopartiklar (3-5 nm) på reducerade grafennanoark tillskrivs den förbättrade kärnbildningen och överföringen av lösta ämnen på grund av kavitationseffekten inducerad av ultraljudsbestrålning. Fin och jämn laddning av SnO₂ nanopartiklar på grafennanoark bekräftades också från TEM-analys. Tillämpningen av syntetiserad SnO₂–Grafennanokomposit som anodmaterial i litiumjonbatterier har påvisats. Kapaciteten hos SnO₂–Litiumbatteri baserat på grafennanokomposit är stabilt i cirka 120 cykler, och batteriet kan upprepa reaktionen mellan stabil laddning och urladdning. (Deosakar et al., 2013)

TEM-bild av SnO₂–Nanokomposit av grafen framställd med sonokemisk metod. Stapeln indikerar vid (A) 10 nm, vid (B) vid 5 nm.
(Studie och bilder: ©Deosakar et al., 2013)

Ultraljudsdispersion av nanopartiklar i batteriuppslamningar

Spridning av electodkomponenter: Waser et al. (2011) förberedde elektroder med litiumjärnfosfat (LiFePO₄). Slurryn innehöll LiFePO4 som aktivt material, kimrök som elektriskt ledande tillsats, polyvinylidenfluorid löst i N-metylpyrrolidinon (NMP) användes som bindemedel. Massförhållandet (efter torkning) av 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 ultraljud) i 2 minuter vid 200 W och 24 kHz.
Låg elektrisk ledningsförmåga och långsam Li-jondiffusion längs de endimensionella kanalerna av LiFePO₄ kan övervinnas genom att bädda in LiFePO₄ i en ledande matris, t.ex. kimrök. Eftersom partiklar i nanostorlek och partikelstrukturer i kärnskal förbättrar den elektriska ledningsförmågan, gör ultraljudsdispersionsteknik och sonokemisk syntes av kärnskalpartiklar det möjligt att producera överlägsna nanokompositer för batteriapplikationer.

Dispersion av litiumjärnfosfat: Hagbergs forskargrupp (Hagberg et al., 2018) använde sig av ultraljud UP100H för proceduren för strukturell positiv elektrod bestående av litiumjärnfosfat (LFP) belagda kolfibrer. Kolfibrerna är kontinuerliga, fristående släp som fungerar som strömavtagare och ger mekanisk styvhet och styrka. För optimal prestanda beläggs fibrerna individuellt, t.ex. med hjälp av elektroforetisk avsättning.
Olika viktförhållanden för blandningar bestående av LFP, CB och PVDF testades. Dessa blandningar belades på kolfibrer. Eftersom inhomogen fördelning i beläggningsbadets kompositioner kan skilja sig från sammansättningen i själva beläggningen, används rigorös omrörning genom ultraljud för att minimera skillnaden.
De noterade att partiklarna är relativt väl dispergerade genom hela beläggningen, vilket tillskrivs användningen av ytaktivt ämne (Triton X-100) och ultraljudssteget före elektroforetisk avsättning.

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

Dispersion av LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Kompositkatodmaterial:
Vidal et al. (2013) undersökte påverkan av bearbetningssteg som ultraljudsbehandling, tryck och materialsammansättning för LiNi_0.5Mn_1.5O₄katoder av komposit.
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 polyvinyldenfluorid (PVDF) eller en blandning av PVDF med en liten mängd teflon® (1 viktprocent) för att bygga upp elektroden. De har bearbetats genom att tejpgjutas på en aluminiumfolie som strömavsamlare med hjälp av doktorbladstekniken. Dessutom var komponentblandningarna antingen ultraljudsbehandlade eller inte, och de bearbetade elektroderna komprimerades eller inte under efterföljande kallpressning. Två formuleringar har testats:
A-Formulering (utan teflon®): 78 vikt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 viktprocent kimrök; 2,5 viktprocent grafit; 12 viktprocent PVDF
B-formulering (med teflon®): 78vikt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5 viktprocent kimrök; 2,5 viktprocent grafit; 11 viktprocent PVDF; 1 viktprocent teflon®
I båda fallen blandades komponenterna och dispergerades i N-metylpyrrolidinon (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4-spinell (2 g) tillsammans med de andra komponenterna i de nämnda procentsatserna som redan ställts upp dispergerades i 11 ml NMP. I vissa särskilda fall, blandningen sonikerades i 25 minuter och rördes sedan om i rumstemperatur i 48 timmar. I vissa andra, blandningen rördes bara om i rumstemperatur i 48 timmar, dvs utan någon ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandlingen främjar en homogen dispersion av elektrodkomponenterna och den erhållna LNMS-elektroden ser mer enhetlig ut.
Kompositelektroder med hög vikt, upp till 17mg/cm2, framställdes och studerades som positiva elektroder för litiumjonbatterier. Tillsatsen av teflon® och tillämpningen av ultraljudsbehandling leder till enhetliga elektroder som är väl vidhäftade till aluminiumfolien. Båda parametrarna bidrar till att förbättra den kapacitet som förbrukas vid höga hastigheter (5C). Ytterligare komprimering av elektrod-/aluminiumenheterna förbättrar elektrodhastighetens kapacitet avsevärt. Vid 5C-hastighet finns anmärkningsvärda kapacitetsretentioner mellan 80 % och 90 % för elektroder med vikter i intervallet 3-17 mg/cm², med teflon® i sin formulering, framställd efter ultraljudsbehandling av deras komponentblandningar och komprimerad under 2 ton/cm².
Sammanfattningsvis, elektroder med 1 viktprocent teflon® i sin formulering, deras komponentblandningar utsätts för en ultraljudsbehandling, komprimerade vid 2 ton/cm2 och med vikter i intervallet 2,7-17 mg/cm2 visade en anmärkningsvärd hastighetsförmåga. Även vid den höga strömmen på 5C var den normaliserade urladdningskapaciteten mellan 80 % och 90 % för alla dessa elektroder. (jfr Vidal et al., 2013)

Högpresterande ultraljudsdispergeringsmedel för batteriproduktion

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar högeffekts, högpresterande ultraljudsutrustning, som används för att bearbeta katod-, anod- och elektrolytmaterial för användning i litiumjonbatterier (LIB), natriumjonbatterier (NIB) och andra battericeller. Hielscher ultraljudssystem används syntetisera nanokompositer, funktionalisera nanopartiklar och dispergera nanomaterial i homogena, stabila suspensioner.
Hielscher erbjuder en portfölj från labb till ultraljudsprocessorer i full industriell skala och är marknadsledande för högpresterande ultraljudsdispergeringsmedel. Hielscher Ultrasonics har arbetat sedan mer än 30 år inom nanomaterialsyntes och storleksreduktion och har lång erfarenhet av ultraljudsbearbetning av nanopartiklar och erbjuder de mest kraftfulla och pålitliga ultraljudsprocessorerna på marknaden. Tysk ingenjörskonst ger toppmodern teknik och robust kvalitet.
Avancerad teknik, högpresterande och sofistikerad programvara förvandlar Hielscher ultraljudsapparater till pålitliga arbetshästar i din elektrodtillverkningsprocess. Alla ultraljudssystem tillverkas på huvudkontoret i Teltow, Tyskland, testas för kvalitet och robusthet och distribueras sedan från Tyskland över hela världen.
Den sofistikerade hårdvaran och smarta programvaran i Hielscher ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat samt användarvänlighet. Hielscher ultraljudsapparater är robusta och konsekventa i prestanda, vilket gör det möjligt att installera dem i krävande miljöer och att använda dem under tunga förhållanden. Driftinställningar kan enkelt nås och ställas in via en intuitiv meny, som kan nås via en digital färgpekskärm och webbläsarens fjärrkontroll. Därför registreras alla bearbetningsförhållanden som nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan revidera och jämföra tidigare ultraljudsbehandling körningar och optimera syntesen, funktionaliseringen och dispersionen av nanomaterial och kompositer till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics system används över hela världen för sonokemisk syntes av nanomaterial och har visat sig vara tillförlitliga för dispersion av nanopartiklar i stabila kolloidala suspensioner. Hielscher industriella ultraljudsapparater kan kontinuerligt köra höga amplituder och är byggda för 24/7 drift. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt genereras kontinuerligt med vanliga sonotroder (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
Hielscher ultraljudsprocessorer för sonokemisk syntes, funktionalisering, nanostrukturering och deagglomeration är redan installerade över hela världen i kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera ditt processteg som involverar nanomaterial för batteritillverkning! Vår välerfarna personal delar gärna med sig av mer information om överlägsna dispersionsresultat, högpresterande ultraljudssystem och priser!
Med fördelen av ultraljud kommer din avancerade elektrod- och elektrolytproduktion att utmärka sig i effektivitet, enkelhet och låg kostnad jämfört med andra elektrodtillverkare!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: