Pil Üretimi için Elektrot Malzemelerinin Sonokimyasal Sentezi

Yüksek performanslı pil hücrelerinin üretiminde, üstün elektrik iletkenliği, daha yüksek depolama yoğunlukları, yüksek kapasite ve güvenilirlik sağlayan nanoyapılı malzemeler ve nanokompozitler önemli bir rol oynamaktadır. Nanomalzemelerin tam işlevlerini elde etmek için, nano parçacıkların ayrı ayrı dağıtılması veya pul pul dökülmesi gerekir ve işlevselleştirme gibi daha ileri işlem adımlarına ihtiyaç duyabilir. Ultrasonik nano işleme, gelişmiş pil üretimi için yüksek performanslı nanomalzemeler ve nanokompozitler üretmek için üstün, etkili ve güvenilir bir tekniktir.

Elektrot Bulamaçlarında Elektrokimyasal Olarak Aktif Malzemelerin Ultrasonik Dispersiyonu

Nanomalzemeler, şarj edilebilir pillerin performansının önemli ölçüde artmasına neden olan yenilikçi elektrot malzemeleri olarak kullanılır. Aglomerasyon, agregasyon ve faz ayrımının üstesinden gelmek, özellikle nano boyutlu malzemeler söz konusu olduğunda, elektrot üretimi için bulamaçların hazırlanması için çok önemlidir. Nanomalzemeler, pil elektrotlarının aktif yüzey alanını arttırır, bu da şarj döngüleri sırasında daha fazla enerji emmelerini ve genel enerji depolama kapasitelerini artırmalarını sağlar. Nanomalzemelerin tam avantajını elde etmek için, bu nano yapılı parçacıkların dolaşıklığı çözülmeli ve elektrot bulamacında ayrı parçacıklar olarak dağıtılmalıdır. Ultrasonik dispersiyon teknolojisi, nano boyutlu malzemelerin atomik düzeyde karıştırılmasına ve kompleksleşmesine yol açan sonokimyasal enerjinin yanı sıra odaklanmış yüksek kesme (sonomechnical) kuvvetleri sağlar.
Grafen, karbon nanotüpler (CNT'ler), metaller ve nadir toprak mineralleri gibi nano parçacıklar, son derece işlevsel elektrot malzemeleri elde etmek için kararlı bir bulamaç içine düzgün bir şekilde dağıtılmalıdır.
Örneğin, grafen ve CNT'lerin pil hücresi performansını arttırdığı iyi bilinmektedir, ancak parçacık aglomerasyonunun üstesinden gelinmelidir. Bu, nanomalzemeleri ve muhtemelen yüksek viskoziteleri işleyebilen yüksek performanslı bir dispersiyon tekniğinin kesinlikle gerekli olduğu anlamına gelir. Prob tipi ultrasonicators, nanomalzemeleri yüksek katı yüklerde bile güvenilir ve etkili bir şekilde işleyebilen yüksek performanslı dispersiyon yöntemidir.

Sonikasyon Neden Nanomalzeme İşleme için Üstün Tekniktir?

Yüksek parçalayıcı karıştırıcılar, boncuk değirmenleri veya yüksek basınçlı homojenizatörler gibi diğer dağıtma ve karıştırma teknikleri sınırlarına geldiğinde, ultrasonikasyon mikron ve nano parçacık işleme için öne çıkan yöntemdir.
Yüksek güçlü ultrason ve ultrasonik olarak üretilen akustik kavitasyon, nanomalzemelerin deagglomera edilmesine veya pul pul dökülmesine, bunların işlevselleştirilmesine, aşağıdan yukarıya işlemlerde nanoyapıların sentezlenmesine ve yüksek performanslı nanokompozitlerin hazırlanmasına izin veren benzersiz enerji koşulları ve aşırı enerji yoğunluğu sağlar.
Hielscher ultrasonicators, yoğunluk (Ws / mL), genlik (μm), sıcaklık (ºC / ºF) ve basınç (bar) gibi en önemli ultrasonik işleme parametrelerinin hassas kontrolüne izin verdiğinden, işleme koşulları her malzeme ve işlem için en uygun ayarlara ayrı ayrı ayarlanabilir. Bu nedenle, ultrasonik dağıtıcılar çok yönlüdür ve CNT dispersiyonu, grafen pul pul dökülme, çekirdek kabuk parçacıklarının sonokimyasal sentezi veya silikon nanopartiküllerin işlevselleştirilmesi gibi çok sayıda uygulama için kullanılabilir.

Sonokimyasal olarak hazırlanan Na0.44MnO2'nin 900°C'de kalsinasyon ile 2 saat süreyle SEM mikrografları.
(Çalışma ve resim: ©Shinde ve ark., 2019)

Pil üretiminde nanomalzeme işleme için Hielscher endüstriyel ultrasonicators hakkında daha fazla bilgi edinin!

Aşağıda, nanomalzeme işlemenin ultrasonik olarak yönlendirilen çeşitli uygulamalarını bulabilirsiniz:

Nanokompozitlerin Ultrasonik Sentezi

Grafen-SnO'nun ultrasonik sentezi₂ Nanokompozit: Deosakar ve ark. (2013), bir grafen-SnO2 nanokompoziti hazırlamak için ultrasonik destekli bir rota geliştirdi. Grafen-SnO2 kompozitinin sentezi sırasında yüksek güçlü ultrason tarafından üretilen kavitasyonel etkileri araştırdılar. Sonikasyon için bir Hielscher Ultrasonik cihaz kullandılar. Sonuçlar, ultrasonik olarak geliştirilmiş ince ve düzgün bir SnO yüklemesi olduğunu göstermektedir₂ grafen oksit ve SnCl arasındaki oksidasyon-indirgeme reaksiyonu ile grafen nano tabakalar üzerinde₂2 SAAT₂Geleneksel sentez yöntemleriyle karşılaştırıldığında O.

Grafen oksit ve SnO'nun oluşum sürecini gösteren tablo₂–grafen nanokompozit.
(Çalışma ve resimler: ©Deosakar ve ark., 2013)

SnO (İngilizce)₂–grafen nanokompozit, yeni ve etkili bir ultrason destekli çözelti bazlı kimyasal sentez yolu ile başarılı bir şekilde hazırlanmış ve grafen oksit SnCl ile indirgenmiştir.₂ HCl varlığında grafen levhalara. TEM analizi, Sno'nun düzgün ve ince yüklemesini gösterir₂ grafen nano tabakalarda. Ultrasonik ışınlamaların kullanılması nedeniyle üretilen kavitasyonel etkilerin, grafen oksit ve SnCl arasındaki oksidasyon-indirgeme reaksiyonu sırasında grafen nano tabakalar üzerine SnO2'nin ince ve düzgün yüklenmesini yoğunlaştırdığı gösterilmiştir₂2 SAAT₂O. SnO2 nanopartiküllerinin (3-5 nm) indirgenmiş grafen nanotabakalar üzerine yoğunlaştırılmış ince ve düzgün yüklenmesi, ultrasonik ışınlamaların neden olduğu kavitasyonel etkiye bağlı olarak gelişmiş çekirdeklenme ve çözünen transferine atfedilir. Sno'nun ince ve düzgün yüklenmesi₂ Grafen nano tabakalar üzerindeki nanopartiküller de TEM analizinden doğrulandı. Sentezlenmiş SnO uygulaması₂–Lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak grafen nanokompozit gösterilmiştir. Sno'nun kapasitesi₂–grafen nanokompozit bazlı Li-pil, yaklaşık 120 döngü boyunca kararlıdır ve pil, kararlı şarj-deşarj reaksiyonunu tekrarlayabilir. (Deosakar ve ark., 2013)

Sno'nun TEM görüntüsü₂–Sonokimyasal yöntemle hazırlanan grafen nano-kompozit. Çubuk (A) 10nm'de, (B)'de 5nm'de gösterir.
(Çalışma ve resimler: ©Deosakar ve ark., 2013)

Nanopartiküllerin Pil Bulamaçlarına Ultrasonik Dağılımı

Elektode bileşenlerinin dağılımı: Waser ve ark. (2011) lityum demir fosfat (LiFePO₄). Bulamaç, aktif malzeme olarak LiFePO4 içeriyordu, elektriksel olarak iletken bir katkı maddesi olarak karbon siyahı, bağlayıcı olarak N-metilpirolidinon (NMP) içinde çözünmüş poliviniliden florür kullanıldı. Elektrotlardaki / CB / PVDF'nin kütle oranı (kuruduktan sonra) 83 / 8.5 / 8.5 idi. Süspansiyonları hazırlamak için, tüm elektrot bileşenleri NMP'de ultrasonik bir karıştırıcı (UP200H, Hielscher Ultrasonik) 200 W ve 24 kHz'de 2 dakika.
LiFePO'nun tek boyutlu kanalları boyunca düşük elektrik iletkenliği ve yavaş Li-ion difüzyonu₄ LiFePO gömülerek üstesinden gelinebilir₄ iletken bir matriste, örneğin karbon siyahı. Nano boyutlu parçacıklar ve çekirdek-kabuk parçacık yapıları elektriksel iletkenliği artırdıkça, ultrasonik dispersiyon teknolojisi ve çekirdek-kabuk parçacıklarının sonokimyasal sentezi, pil uygulamaları için üstün nanokompozitler üretmeye izin verir.

Lityum demir fosfatın dağılımı: Hagberg'in araştırma ekibi (Hagberg ve diğerleri, 2018) ultrasonikatör UP100H lityum demir fosfat (LFP) kaplı karbon fiberlerden oluşan yapısal pozitif elektrot prosedürü için. Karbon fiberler, akım toplayıcı görevi gören sürekli, kendi kendine duran çekicilerdir ve mekanik sertlik ve mukavemet sağlayacaktır. Optimum performans için, elyaflar, örneğin elektroforetik biriktirme kullanılarak ayrı ayrı kaplanır.
LFP, CB ve PVDF'den oluşan karışımların farklı ağırlık oranları test edilmiştir. Bu karışımlar karbon fiberler üzerine kaplandı. Kaplama banyosu bileşimlerindeki homojen olmayan dağılım, kaplamanın kendisindeki bileşimden farklı olabileceğinden, farkı en aza indirmek için ultrasonikasyon ile titiz karıştırma kullanılır.
Parçacıkların, yüzey aktif madde (Triton X-100) kullanımına ve elektroforetik biriktirmeden önce ultrasonikasyon adımına atfedilen kaplama boyunca nispeten iyi dağıldığını belirttiler.

EPD kaplı karbon fiberlerin kesit ve yüksek büyütmeli SEM görüntüleri. LFP, CB ve PVDF karışımı, ultrasonikatör UP100H. Büyütmeler: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(Çalışma ve resim: ©Hagberg ve ark., 2018)

LiNi'nin Dağılması_0.5Mn_1.5O₄ Kompozit katot malzemesi:
Vidal ve ark. (2013), LiNi için sonikasyon, basınç ve malzeme bileşimi gibi işleme adımlarının etkisini araştırdı_0.5Mn_1.5O₄kompozit katotlar.
LiNi'ye sahip pozitif kompozit elektrotlar_0.5 Mn_1.5Aktif malzeme olarak O4 spinel, elektrot elektrik iletkenliğini artırmak için grafit ve karbon siyahı karışımı ve elektrot oluşturmak için polivinildenflorür (PVDF) veya az miktarda Teflon® (ağırlıkça %1) ile PVDF karışımı. Sıyırma bıçağı tekniği kullanılarak akım toplayıcı olarak alüminyum folyo üzerine bant döküm yapılarak işlenmişlerdir. Ek olarak, bileşen karışımları ya sonikleştirildi ya da sonikleştirildi ve işlenmiş elektrotlar müteakip soğuk presleme altında sıkıştırıldı veya sıkıştırılmadı. İki formülasyon test edilmiştir:
A-Formülasyonu (Teflonsuz®): ağırlıkça x LiNi_0.5 Mn_1.5O4; Ağırlıkça %7,5 Karbon siyahı; Ağırlıkça %2,5 Grafit; ağırlıkça  PVDF
B-Formülasyonu (Teflon® ile): ağırlıkça x LiNi0_0.5Mn_1.5O4; Ağırlıkça %7,5 Karbon siyahı; Ağırlıkça %2,5 Grafit; ağırlıkça  PVDF; ağırlıkça %1 Teflon®
Her iki durumda da, bileşenler N-metilpirolidinon (NMP) içinde karıştırıldı ve dağıtıldı. LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel (2g), belirtilen yüzdelerdeki diğer bileşenlerle birlikte, önceden kurulmuş olan 11 ml NMP içinde dağıtılmıştır. Bazı özel durumlarda, karışım 25 dakika boyunca sonikleştirildi ve daha sonra 48 saat boyunca oda sıcaklığında karıştırıldı. Bazılarında, karışım sadece oda sıcaklığında 48 saat boyunca karıştırıldı, yani herhangi bir sonikasyon olmadan. Sonikasyon tedavisi, elektrot bileşenlerinin homojen bir dağılımını teşvik eder ve elde edilen LNMS-elektrot daha düzgün görünür.
17mg/cm2'ye kadar yüksek ağırlığa sahip kompozit elektrotlar, lityum iyon piller için pozitif elektrotlar olarak hazırlanmış ve incelenmiştir. Teflon® ilavesi ve sonikasyon işleminin uygulanması, alüminyum folyoya iyi yapışmış tek tip elektrotlara yol açar. Her iki parametre de yüksek oranlarda (5C) boşaltılan kapasitenin iyileştirilmesine katkıda bulunur. Elektrot / alüminyum tertibatlarının ek sıkıştırılması, elektrot hızı yeteneklerini önemli ölçüde artırır. 5 °C oranında, ağırlıkları 3-17 mg / cm aralığında olan elektrotlar için% 80 ile% 90 arasında dikkate değer kapasite korumaları bulunur², formülasyonlarında Teflon® bulunan, bileşen karışımlarının sonikasyonundan sonra hazırlanan ve 2 ton / cm'nin altında sıkıştırılan².
Özetle, formülasyonlarında ağırlıkça% 1 Teflon® bulunan elektrotlar, bileşen karışımları bir sonikasyon işlemine tabi tutulmuş, 2 ton / cm2'de sıkıştırılmış ve 2.7-17 mg / cm2 aralığında ağırlıklar ile dikkate değer bir hız kabiliyeti göstermiştir. 5C'lik yüksek akımda bile, tüm bu elektrotlar için normalleştirilmiş deşarj kapasitesi � ile � arasındaydı. (bkz. Vidal ve diğerleri, 2013)

Pil Üretimi için Yüksek Performanslı Ultrasonik Dağıtıcılar

Hielscher Ultrasonics, lityum-iyon piller (LIB), sodyum-iyon piller (NIB) ve diğer pil hücrelerinde kullanılmak üzere katot, anot ve elektrolit malzemelerini işlemek için kullanılan yüksek güçlü, yüksek performanslı ultrasonik ekipman tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher ultrasonik sistemler nanokompozitleri sentezlemek, nanopartikülleri işlevselleştirmek ve nanomalzemeleri homojen, kararlı süspansiyonlara dağıtmak için kullanılır.
Laboratuvardan tamamen endüstriyel ölçekli ultrasonik işlemcilere kadar bir portföy sunan Hielscher, yüksek performanslı ultrason dağıtıcıları için pazar lideridir. Nanomalzeme sentezi ve boyut küçültme alanında 30 yılı aşkın bir süredir çalışan Hielscher Ultrasonics, ultrasonik nanopartikül işleme konusunda geniş deneyime sahiptir ve piyasadaki en güçlü ve güvenilir ultrasonik işlemcileri sunmaktadır. Alman mühendisliği, en son teknolojiyi ve sağlam kaliteyi sağlar.
İleri teknoloji, yüksek performanslı ve sofistike yazılım, Hielscher ultrasonicators'ı elektrot üretim sürecinizde güvenilir iş atlarına dönüştürür. Tüm ultrasonik sistemler Almanya'nın Teltow kentindeki merkezde üretilir, kalite ve sağlamlık açısından test edilir ve daha sonra Almanya'dan tüm dünyaya dağıtılır.
Hielscher ultrasonicators sofistike donanım ve akıllı yazılım, güvenilir çalışma, tekrarlanabilir sonuçlar ve kullanıcı dostu garanti etmek için tasarlanmıştır. Hielscher ultrasonicators performans açısından sağlam ve tutarlıdır, bu da onları zorlu ortamlara monte etmek ve ağır hizmet koşulları altında çalıştırmak için izin verir. Dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı uzaktan kumandası ile erişilebilen sezgisel menü aracılığıyla çalışma ayarlarına kolayca erişilebilir ve aranabilir. Bu nedenle, net enerji, toplam enerji, genlik, zaman, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları otomatik olarak dahili bir SD karta kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon çalışmalarını gözden geçirmenize ve karşılaştırmanıza ve nanomalzemelerin ve kompozitlerin sentezini, işlevselleştirmesini ve dağılımını en yüksek verimlilikte optimize etmenize olanak tanır.
Hielscher Ultrasonik sistemler, nanomalzemelerin sonokimyasal sentezi için dünya çapında kullanılmaktadır ve nanopartiküllerin kararlı kolloidal süspansiyonlara dağılması için güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Hielscher endüstriyel ultrasonicators sürekli olarak yüksek genlikler çalıştırabilir ve 7/24 çalışma için üretilmiştir. 200μm'ye kadar genlikler, standart sonotrodlar (ultrasonik problar / boynuzlar) ile kolayca sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur.
Sonokimyasal sentez, işlevselleştirme, nano-yapılanma ve deagglomeration için Hielscher ultrasonik işlemciler zaten ticari ölçekte dünya çapında kuruludur. Pil üretimi için nanomalzemeleri içeren proses adımınızı tartışmak için şimdi bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz, üstün dispersiyon sonuçları, yüksek performanslı ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!
Ultrasonikasyon avantajı ile, gelişmiş elektrot ve elektrolit üretiminiz diğer elektrot üreticileriyle karşılaştırıldığında verimlilik, basitlik ve düşük maliyet açısından mükemmel olacaktır!

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: