Vid produktion av högpresterande battericeller spelar nanostrukturerade material och nanokompositer en viktig roll som ger överlägsen elektrisk ledningsförmåga, högre lagringstäthet, hög kapacitet och tillförlitlighet. För att nanomaterialens fulla funktioner ska kunna uppnås måste nanopartiklarna spridas individuellt eller exfolieras och kan behöva ytterligare bearbetningssteg såsom funktionalisering. Ultraljud nano-bearbetning är den överlägsna, effektiva och tillförlitliga tekniken för att producera högpresterande nanomaterial och nanokompositer för avancerad batteriproduktion.

Ultraljud dispersion av elektrokemiskt aktiva material i elektrod flytgödsel

Nanomaterial används som innovativa elektrodmaterial, vilket resulterade i avsevärt förbättrad prestanda hos uppladdningsbara batterier. Att övervinna agglomeration, aggregering och fasseparation är avgörande för beredningen av uppslamningar för elektrodtillverkning, särskilt när material i nanostorlek är inblandade. Nanomaterial ökar batterielektrodernas aktiva yta, vilket gör att de kan absorbera mer energi under laddningscyklerna och öka sin totala energilagringskapacitet. För att få full nytta av nanomaterial måste dessa nanostrukturerade partiklar vara de-entanggles och fördelas som separata partiklar i elektroduppslamningen. Ultraljud spridning teknik ger fokuserade högskjuvning (sonomechnical) krafter samt sonochemical energi, vilket leder till atomnivå blandning och komplex av nano-storlek material.
Nanopartiklar som grafen, kolnanorör (CNT), metaller och sällsynta jordartsmetaller måste spridas jämnt till ett stabilt slam för att erhålla mycket funktionella elektrodmaterial.
Till exempel är grafen och CNT välkända för att förbättra battericellens prestanda, men partikelagglomeration måste övervinnas. Detta innebär att det absolut krävs en högpresterande spridningsteknik som kan bearbeta nanomaterial och eventuellt höga viskositeter. Ultraljudsapparater av sondtyp är den högpresterande spridningsmetoden, som kan bearbeta nanomaterial även vid höga fasta belastningar på ett tillförlitligt och effektivt sätt.

Varför är ultraljudsbehandling den överlägsna tekniken för nanomaterialbehandling?

När andra spridnings- och blandningstekniker som högskjuvningsblandare, pärlkvarnar eller högtryckshomogenisatorer kommer till sina gränser, ultraljud är den metod som sticker ut för mikron- och nanopartiklar bearbetning.
Hög effekt ultraljud och ultraljud genererade akustisk kavitation ger unika energiförhållanden och extrem energitäthet som gör det möjligt att deagglomerate eller exfoliera nanomaterial, att funktionalisera dem, syntetisera nanostrukturer i bottom-up processer, och att förbereda högpresterande nanokompositer.
Eftersom Hielscher ultrasonicators tillåter exakt kontroll av de viktigaste ultraljud bearbetning parametrar såsom intensitet (Ws /mL), amplitud (μm), temperatur (ºC /ºF) och tryck (bar), bearbetningsförhållanden kan individuellt ställas in till optimala inställningar för varje material och process. Därmed är ultraljud dispersrar mycket mångsidiga och kan användas för många applikationer, t.ex. CNT dispersion, grafen exfoliering, sonokemisk syntes av kärnskalpartiklar eller funktionalisering av kiselnanopartiklar.

SEM mikrografer av sonochemically beredda Na0.44MnO2 genom kalcination vid 900°C för 2 h.
(Studie och bild: ©Shinde et al., 2019)

Läs mer om Hielscher industriella ultraljudsapparater för nanomaterialbehandling i batteritillverkning!

Nedan hittar du olika ultraljudsdrivna tillämpningar av nanomaterialbehandling:

Ultraljud syntes av nanokompositer

Ultraljud syntes av grafen-SnO₂ nanokomposit: Forskargruppen av Deosakar et al. (2013) utvecklade en ultraljudsassisterad väg för att förbereda en grafen-SnO2 nanokomposit. De undersökte kavitationseffekterna som genereras av hög effekt ultraljud under syntesen av grafen-SnO2 komposit. För ultraljudsbehandling använde de en Hielscher Ultrasonics enhet. Resultaten visar en ultraljudsförbglig fin och enhetlig belastning av SnO₂ på grafennanoblad genom oxidationsreduktionsreaktion mellan grafenoxid och SnCl₂· 2H₂O jämfört med konventionella syntesmetoder.

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

SnO₂– Grafennanokomposit har framgångsrikt förberetts genom en ny och effektiv ultraljudsassisterad lösningsbaserad kemisk syntesväg och grafenoxid minskades av SnCl₂ grafenblad i närvaro av HCl. TEM-analys visar den enhetliga och fina belastningen av SnO₂ i grafennanoblad. De kavitationseffekter som produceras på grund av användning av ultraljud bestrålningar har visat sig intensifiera den fina och enhetliga belastningen av SnO2 på grafennanoblad under oxidationsreduktionsreaktion mellan grafenoxid och SnCl₂· 2H₂O. Intensifierad fin och enhetlig belastning av SnO2 nanopartiklar (3-5 nm) på reducerade grafen nanoblad tillskrivs den förbättrade nukleation och lösning överföring på grund av kavitational effekt induceras av ultraljud bestrålning. Fin och enhetlig lastning av SnO₂ nanopartiklar på grafennanoblad bekräftades också från TEM-analysen. Tillämpningen av syntetiserad SnO₂– Grafennanokomposit som anodmaterial i litiumjonbatterier demonstreras. SnO:s kapacitet₂–Grafennanokompositbaserat Li-batteri är stabilt i cirka 120 cykler, och batteriet kan upprepa en stabil laddningsurladdningsreaktion. (Deosakar et al., 2013)

TEM-bild av SnO₂–Grafen nanokomposit beredd med sonokemisk metod. Stapel anger vid (A) 10nm , vid (B) vid 5nm.
(Studie och bilder: ©Deosakar et al., 2013)

Ultraljud spridning av nanopartiklar i batteri slam

Spridning av electodkomponenter: (2011) beredda elektroder med litiumjärnfosfat (LiFePO₄). Slammet innehöll LiFePO4 som aktivt material, kolsvart som elektriskt ledande tillsats, polyvinylidenfluorid upplöst i N-metylpyrrolidinon (NMP) användes som bindemedel. Massförhållandet (efter torkning) av AM/CB/PVDF i elektroderna var 83/8,5/8,5. För att förbereda suspensionerna blandades alla elektrodbeståndsdelar i NMP med en ultraljudsrörare (UP200H, Hielscher Ultraljud) i 2 min vid 200 W och 24 kHz.
Låg elektrisk ledningsförmåga och långsam Li-jon diffusion längs LiFePO:s endimensionella kanaler₄ kan övervinnas genom att bädda in LiFePO₄ i en ledande matris, t.ex. kolsvart. Eftersom nanostora partiklar och kärnskal partikelstrukturer förbättrar elektrisk ledningsförmåga, ultraljud dispersion teknik och sonokemisk syntes av kärnskal partiklar gör det möjligt att producera överlägsen nanokompositer för batteriapplikationer.

Spridning av litiumjärnfosfat: Hagbergs forskargrupp (Hagberg et al., 2018) använde ultraljudsdon UP100H för förfarandet med strukturell positiv elektrod bestående av litiumjärnfosfat (LFP) belagda kolfibrer. Kolfibrerna är kontinuerliga, fristående släp som fungerar som strömsamlare och ger mekanisk styvhet och styrka. För optimal prestanda är fibrerna belagda individuellt, t.ex. med hjälp av elektroforetisk deposition.
Olika viktkvoter för blandningar bestående av LFP, CB och PVDF testades. Dessa blandningar var belagda på kolfibrer. Eftersom inhomogen fördelning i beläggningsbadkompositioner kan skilja sig från kompositionen i själva beläggningen, används rigorös omrörning genom ultraljud för att minimera skillnaden.
De noterade att partiklarna är relativt väl spridda över hela beläggningen som tillskrivs användningen av tensid (Triton X-100) och ultraljudssteget före elektroforetisk nedfall.

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

Spridning av LiNi_{05. den femte}Mn_1,5den₄ kompositkatodmaterial:
(2013) undersökte påverkan av bearbetningssteg som ultraljudsbehandling, tryck och materialsammansättning för LiNi_{05. den femte}Mn_1,5den₄kompositkatoder.
Positiva kompositelektroder med LiNi_{05. den femte} Mn_1,5O4 spinel som aktivt material, en blandning av grafit och kolsvart för att öka elektrodens elektriska ledningsförmåga och antingen polyvinyldenfluorid (PVDF) eller en blandning av PVDF med en liten mängd Teflon® (1 wt%) för att bygga upp elektroden. De har bearbetats genom tejpgjutning på en aluminiumfolie som strömsamlare med hjälp av läkarens bladteknik. Dessutom var komponentblandningarna antingen sonicated eller inte, och de bearbetade elektroderna komprimerades eller inte under efterföljande kallpressning. Två formuleringar har testats:
A-Formulering (utan Teflon®): 78 wt% LiNi_{05. den femte} Mn_1,5O4; 7.5 wt% Kolsvart; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B-Formulering (med Teflon®): 78wt% LiNi0_{05. den femte}Mn_1,5O4; 7.5wt% Kolsvart; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
I båda fallen blandades och spreds komponenterna i N-metylpyrrolidinon (NMP). LiNi_{05. den femte} Mn_1,5O4 spinel (2g) tillsammans med de andra komponenterna i de nämnda procentsatserna som redan ställts in skingrades i 11 ml NMP. I vissa särskilda fall soniskerades blandningen i 25 min och omrördes sedan vid rumstemperatur i 48 timmar. I vissa andra rördes blandningen bara i rumstemperatur i 48 timmar, dvs utan ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandling främjar en homogen spridning av elektrodkomponenterna och den LNMS-elektrod som erhållits ser mer enhetlig ut.
Kompositelektroder med hög vikt, upp till 17 mg/cm2, framställdes och studerades som positiva elektroder för litiumjonbatterier. Tillsatsen av Teflon® och tillämpningen av ultraljudsbehandlingen leder till enhetliga elektroder som är väl vidhäftade vid aluminiumfolien. Båda parametrarna bidrar till att förbättra den kapacitet som dräneras i hög takt (5C). Ytterligare komprimering av elektrod-/aluminiumenheterna förbättrar elektrodhastigheten anmärkningsvärt. Vid 5C-hastighet finns anmärkningsvärda kapacitetsretentioner mellan 80% och 90% för elektroder med vikter i intervallet 3-17mg/cm², med Teflon® i sin formulering, beredd efter ultraljudsbehandling av deras komponentblandningar och komprimerad under 2 ton/cm².
Sammanfattningsvis, elektroder med 1 wt% Teflon® i sin formulering, deras komponent blandningar utsätts för en ultraljudsbehandling, komprimeras vid 2 ton/cm2 och med vikter i intervallet 2,7-17 mg/cm2 visade en anmärkningsvärd hastighet kapacitet. Även vid den höga strömmen av 5C var den normaliserade urladdningskapaciteten mellan 80% och 90% för alla dessa elektroder. (jfr Vidal et al., 2013)

Högpresterande ultraljudsdisperser för batteriproduktion

Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar hög effekt, högpresterande ultraljud utrustning, som används för att bearbeta katod, anod, och elektrolyt material för användning i litiumjonbatterier (LIB), natriumjonbatterier (NIB), och andra battericeller. Hielscher ultraljudssystem används syntetisera nanokompositer, funktionalisera nanopartiklar och sprida nanomaterial i homogena, stabila suspensioner.
Hielscher erbjuder en portfölj från labb till fullt industriella ultraljud processorer, hielscher är marknadsledande för högpresterande ultraljud dispersers. Arbetar sedan mer än 30 år inom nanomaterialsyntes och storleksminskning, Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av ultraljud nanopartikel bearbetning och erbjuder de mest kraftfulla och tillförlitliga ultraljud processorer på marknaden. Tysk teknik ger toppmodern teknik och robust kvalitet.
Avancerad teknik, högpresterande och sofistikerad programvara förvandlar Hielscher ultrasonicators till pålitliga arbetshästar i din elektrod tillverkningsprocess. Alla ultraljudssystem tillverkas i huvudkontoret i Teltow, Tyskland, testas för kvalitet och robusthet och distribueras sedan från Tyskland över hela världen.
Den sofistikerade hårdvaran och smart programvara av Hielscher ultrasonicators är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat samt användarvänlighet. Hielscher ultrasonicators är robusta och konsekventa i prestanda, vilket gör det möjligt att installera dem i krävande miljöer och att använda dem under tunga förhållanden. Driftsinställningar kan enkelt nås och ringas via intuitiv meny, som kan nås via digital färgpekskärm och webbläsarfjärrkontroll. 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 ultraljudskörningar och optimera syntes, funktionalisering och spridning av nanomaterial och kompositer till högsta effektivitet.
Hielscher Ultraljudssystem används över hela världen för sonochemical syntes av nanomaterial och har visat sig vara tillförlitliga för spridning av nanopartiklar i stabila kolloidala suspensioner. Hielscher industriella ultraljud kan kontinuerligt köra höga amplituder och är byggda för 24/7 drift. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt genereras kontinuerligt med vanliga sonotrodes (ultraljudssonder / horn). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljud sonotrodes tillgängliga.
Hielscher ultraljud processorer för sonochemical syntes, funktionalisering, nano-strukturering och deagglomeration är redan installerade över hela världen i kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera ditt processsteg med nanomaterial för batteritillverkning! Vår erfarna personal kommer gärna att dela mer information om överlägsna spridningsresultat, högpresterande ultraljudssystem och prissättning!
Med fördelen av ultraljud, din avancerade elektrod och elektrolyt produktion kommer att utmärka sig i effektivitet, enkelhet och låg kostnad jämfört med andra elektrod tillverkare!

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: