Pil Üretimi için Elektrot Malzemelerinin Sonokimyasal Sentezi

Yüksek performanslı pil hücrelerinin üretiminde, nanoyapılı malzemeler ve nanokompozitler üstün elektrik iletkenliği, daha yüksek depolama yoğunlukları, yüksek kapasite ve güvenilirlik sağlayan önemli bir rol oynar. Nanomalzemelerin tam işlevlerine ulaşmak için, nano parçacıkların ayrı ayrı dağıtılması veya pul pul dökülmesi gerekir ve işlevselleştirme gibi daha fazla işlem adımı gerekebilir. Ultrasonik nano işleme, gelişmiş pil üretimi için yüksek performanslı nanomalzemeler ve nanokompozitler üretmek için üstün, etkili ve güvenilir tekniktir.

Elektrot Bulamaçlarında Elektrokimyasal Olarak Aktif Malzemelerin Ultrasonik Dağılımı

Nanomalzemeler, şarj edilebilir pillerin performansını önemli ölçüde artıran yenilikçi elektrot malzemeleri olarak kullanılır. Aglomerasyon, agregasyon ve faz ayrımının üstesinden gelmek, özellikle nano boyutlu malzemeler söz konusu olduğunda, elektrot üretimi için bulamaçların hazırlanmasında 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 parçacıklar dolaşıklıktan arındırılmalı ve elektrot bulamacında ayrı parçacıklar olarak dağıtılmalıdır. Ultrasonik dispersiyon teknolojisi, odaklanmış yüksek kesme (sonomeçnik) kuvvetlerinin yanı sıra atomik düzeyde karıştırma ve nano boyutlu malzemelerin karmaşıklığına yol açan sonokimyasal enerji sağlar.
Grafen, karbon nanotüpler (CNTs), metaller ve nadir toprak mineralleri gibi nano parçacıklar, son derece işlevsel elektrot malzemeleri elde etmek için kararlı bir bulamaca eşit olarak dağıtılmalıdır.
Örneğin, grafen ve CNT'lerin pil hücresi performansını artırdığı iyi bilinmektedir, ancak parçacık aglomerasyonu aşılmalıdır. Bu, nanomalzemeleri ve muhtemelen yüksek viskoziteleri işleyebilen yüksek performanslı bir dağılım tekniğinin kesinlikle gerekli olduğu anlamına gelir. Prob tipi ultrasonicators, yüksek katı yüklerde bile nanomalzemeleri güvenilir ve etkili bir şekilde işleyebilen yüksek performanslı dispersiyon yöntemidir.

Sonication neden Nanomalzeme İşleme için Üstün Tekniktir?

Yüksek kesme mikserleri, boncuk değirmenleri veya yüksek basınçlı homojenizatörler gibi diğer dispersiyon ve karıştırma teknikleri sınırlarına geldiğinde, ultrasonication mikron ve nano parçacık işleme için öne çıkan yöntemdir.
Yüksek güçlü ultrason ve ultrasonik olarak oluşturulan akustik kavitasyon, nanomalzemeleri deagglomerate veya pul pul dökülmeye, işlevsel hale getirmek, nanoyapıları aşağıdan yukarıya işlemlerde sentezlemek ve yüksek performanslı nanokompozitler hazırlamak için 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 olduğundan, işleme koşulları her malzeme ve işlem için en uygun ayarlara ayrı ayrı ayarlanabilir. Böylece, ultrasonik dağıtıcılar son derece çok yönlüdür ve CNT dispersiyon, 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 SEM mikrografileri 900°C'de 2 saat kalsinasyon ile.
(Çalışma ve resim: ©Shinde ve ark., 2019)

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

Aşağıda nanomalzeme işlemenin ultrasonik tahrikli çeşitli uygulamalarını bulabilirsiniz:

Nanokompozitlerin Ultrasonik Sentezi

Grafen ultrasonik sentezi-SnO₂ nanokompozit: Deosakar ve ark. (2013) araştırma ekibi, bir grafen-SnO2 nanokompozit hazırlamak için ultrasonik destekli bir rota geliştirdi. Grafen-SnO2 kompoziti sentezi sırasında yüksek güçlü ultrasonun ürettiği kavitasyonel etkileri araştırdılar. Sonication için, onlar bir Hielscher Ultrasonics cihazı kullandı. Sonuçlar ultrasonik olarak geliştirilmiş ince ve düzgün bir SnO yüklemesini göstermektedir.₂ grafen oksit ve SnCl arasındaki oksidasyon-azaltma reaksiyonunun grafen nanosheets üzerinde₂· 2H₂Geleneksel sentez yöntemlerine kıyasla O.

Grafen oksit ve SnO'nun oluşum sürecini gösteren grafik₂–grafen nanokompozit.
(Çalışma ve resimler: ©Deosakar vd., 2013)

SnO₂–grafen nanokompozit, yeni ve etkili ultrason destekli çözüme dayalı kimyasal sentez yolu ile başarıyla hazırlanmış ve grafen oksit SnCl ile azaltılmıştır.₂ HCl. TEM analizi varlığında grafen levhalar için SnO düzgün ve ince yükleme gösterir₂ grafen nanosheets içinde. Ultrasonik ışınlamaların kullanımı nedeniyle üretilen kavitasyonel etkilerin, grafen oksit ve SnCl arasındaki oksidasyon-azaltma reaksiyonları sırasında grafen nanosheets üzerine SnO2'nin ince ve düzgün yüklenmesini yoğunlaştırtığı gösterilmiştir.₂· 2H₂O. SnO2 nanopartiküllerinin (3-5 nm) azaltılmış grafen nano sayfalara yoğunlaştırılmış ince ve düzgün yüklenmesi, ultrasonik ışınlamaların neden olduğu kavitasyonel etki nedeniyle gelişmiş çekirdeklenme ve çözünür transferine atfedilir. SnO'nun ince ve düzgün yüklenmesi₂ grafen nanosheets 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 vd., 2013)

SnO'nun TEM görüntüsü₂–grafen nano kompozit sonokimyasal yöntemle hazırlanmıştır. Çubuk (A) 10nm , (B) 5nm'de gösterir.
(Çalışma ve resimler: ©Deosakar vd., 2013)

Nanopartiküllerin Pil Bulamaçlarına Ultrasonik Dağılımı

Electode bileşenlerinin dağılımı: Waser ve ark. (2011) lityum demir fosfatlı elektrotlar hazırladı (LiFePO₄). Bulamacı aktif malzeme olarak LiFePO4, elektriksel iletken katkı maddesi olarak karbon siyahı, N-metilpyrrolidinone (NMP) içinde çözünmüş polivinylidene florür bağlayıcı olarak kullanılmıştır. Elektrotlarda AM/CB/PVDF kütle oranı (kuruduktan sonra) 83/8.5/8.5 idi. Süspansiyonları hazırlamak için, tüm elektrot bileşenleri NMP'de ultrasonik karıştırıcı (UP200H, Hielscher Ultrasonik) 200 W ve 24 kHz'de 2 dakika boyunca.
LiFePO'nun tek boyutlu kanalları boyunca düşük elektrik iletkenliği ve yavaş Li-iyon difüzyonu₄ LiFePO'nun gömülmesi ile üstesinden gelinebilir₄ iletken bir matriste, örneğin karbon siyahı. Nano boyutlu parçacıklar ve çekirdek kabuk parçacık yapıları elektrik iletkenliğini artırdığından, ultrasonik dispersiyon teknolojisi ve çekirdek kabuk parçacıklarının sonokimyasal sentezi pil uygulamaları için üstün nanokompozitler üretmeye izin verir.

Lityum demir fosfatın dağılımı: Hagberg araştırma ekibi (Hagberg vd., 2018) ultrasonicator UP100H lityum demir fosfat (LFP) kaplı karbon fiberlerden oluşan yapısal pozitif elektrodun prosedürü için. Karbon fiberler süreklidir, mevcut toplayıcılar gibi davranan kendi kendine duran çekmelerdir ve mekanik sertlik ve mukavemet sağlayacaktır. Optimum performans için, lifler elektroforetik biriktirme kullanılarak ayrı ayrı kaplanır.
LFP, CB ve PVDF'den oluşan karışımların farklı ağırlık oranları test edildi. Bu karışımlar karbon fiberler üzerine kaplandı. Kaplama banyo kompozisyonlarında inhomogeneous dağılımı kaplamanın kendi bileşiminden farklı olabileceğinden, farkı en aza indirmek için ultrasonication ile titiz karıştırma kullanılır.
Parçacıkların, yüzey aktif madde (Triton X-100) kullanımına ve elektroforetik biriktirmeden önceki ultrasonikasyon adımına atfedilen kaplama boyunca nispeten iyi dağıldığını kaydettiler.

EPD kaplı karbon liflerinin kesit ve yüksek büyütme SEM görüntüleri. LFP, CB ve PVDF karışımı ultrasonik homojenize edildi ultrasonicator UP100H. Büyütmeler: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.
(Çalışma ve resim: ©Hagberg ve ark., 2018)

LiNi Dağılımı_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 siyahının bir karışımı ve elektrot oluşturmak için az miktarda Teflon® (%1 wt) ile polivinyldenefluoride (PVDF) veya PVDF karışımı. Doktor bıçağı tekniği kullanılarak mevcut toplayıcı olarak alüminyum bir folyoya bant dökümü ile işlenmiştir. Ek olarak, bileşen karışımları sonicated veya değil ve işlenmiş elektrotlar sıkıştırıldı veya sonraki soğuk presleme altında değil. İki formülasyon test edilmiştir:
A-Formülasyonu (Teflon® olmadan): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1,5O4; 7.5 wt% Karbon siyahı; 2.5 wt% Grafit; 12 wt% PVDF
B-Formülasyonu (Teflon® ile): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1,5O4; 7.5wt% Karbon siyahı; 2.5 wt% Grafit;  PVDF; 1 wt% Teflon®
Her iki durumda da, bileşenler N-metilpyrrolidinone (NMP) ile karıştırıldı ve dağıtıldı. LiNi_0.5 Mn_1,5O4 spinel (2g) daha önce ayarlanmış olan belirtilen yüzdelerdeki diğer bileşenlerle birlikte 11 ml NMP'de dağılmıştır. Bazı özel durumlarda, karışım 25 dakika boyunca sonicated ve daha sonra 48 saat oda sıcaklığında karıştırıldı. Bazılarında, karışım sadece oda sıcaklığında 48 saat boyunca, yani herhangi bir sonikasyon olmadan karıştırıldı. Sonication tedavisi elektrot bileşenlerinin homojen bir dağılımını teşvik eder ve elde edilen LNMS-elektrot daha düzgün görünür.
Composites electrodes with high weight, up to 17mg/cm2, were prepared and studied as positive electrodes for lithium-ion batteries. The addition of Teflon® and the application of the sonication treatment lead to uniform electrodes that are well-adhered to the aluminum foil. Both parameters contribute to improve the capacity drained at high rates (5C). Additional compaction of the electrode/aluminum assemblies remarkably enhances the electrode rate capabilities. At 5C rate, remarkable capacity retentions between 80% and 90% are found for electrodes with weights in the range 3-17mg/cm², formülasyonlarında Teflon® olması, bileşen karışımlarının sonikasyonundan sonra hazırlanması ve 2 ton/cm altında sıkıştırılması².
Özetle, formülasyonlarında %1 wt Teflon bulunan elektrotlar, sonikasyon tedavisine tabi tutulan, 2 ton®/cm2'de sıkıştırılmış ve ağırlıkları 2,7-17 mg/cm2 aralığında olan bileşen karışımları dikkat çekici bir oran kabiliyeti göstermiştir. 5C'nin yüksek akımında bile, normalleştirilmiş deşarj kapasitesi tüm bu elektrotlar için% 80 ila% 90 arasındaydı. (cf. Vidal ve ark., 2013)

Pil Üretimi için Yüksek Performanslı Ultrasonik Dağıtıcılar

Hielscher Ultrasonics, lityum iyon pillerde (LIB), sodyum iyon pillerde (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 sistemleri nanokompozitleri sentezlemek, nanopartikülleri işlevselleştirmek ve nanomalzemeleri homojen, kararlı süspansiyonlara dağıtmak için kullanılır.
Laboratuvardan tam endüstriyel ölçekli ultrasonik işlemcilere kadar bir portföy sunan Hielscher, yüksek performanslı ultrason dağıtıcıları için pazar lideridir. Nanomalzeme sentezi ve boyut azaltma alanında 30 yıldan fazla bir süredir çalışan Hielscher Ultrasonics, ultrasonik nanopartikül işlemede geniş deneyime sahiptir ve piyasadaki en güçlü ve güvenilir ultrasonik işlemcileri sunar. Alman mühendisliği son teknoloji ve sağlam kalite sağlar.
İleri teknoloji, yüksek performanslı ve sofistike yazılım, Hielscher ultrasonicators elektrot üretim sürecinizde güvenilir iş atlarına dönüştürmektedir. Tüm ultrasonik sistemler Teltow, Almanya'da genel merkez üretilen, kalite ve sağlamlık için test edilir ve daha sonra tüm dünyada Almanya'dan dağıtılır.
Hielscher ultrasonicators sofistike donanım ve akıllı yazılım güvenilir çalışma, tekrarlanabilir sonuçlar yanı sıra kullanıcı dostu garanti etmek için tasarlanmıştır. Hielscher ultrasonicators sağlam ve performans tutarlı, hangi zorlu ortamlara yüklemek ve ağır hizmet koşulları altında çalıştırmak için izin verir. Operasyonel ayarlara, dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı uzaktan kumandası ile erişilebilen sezgisel menü aracılığıyla kolayca erişilebilir ve çevrilebilir. Bu nedenle, net enerji, toplam enerji, genlik, zaman, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları otomatik olarak yerleşik bir SD karta kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon çalıştırmalarını gözden geçirmenize ve karşılaştırmanıza ve nanomalzemelerin ve kompozitlerin sentezini, işlevselleştirilmesini ve dağılımını en yüksek verimliliğe optimize etmenizi sağlar.
Hielscher Ultrasonik sistemleri nanomalzemelerin sonokimyasal sentezi için dünya çapında kullanılır ve nanopartiküllerin kararlı kolloidal süspansiyonlara dağılımı için güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Hielscher endüstriyel ultrasonicators sürekli yüksek genlikleri çalıştırabilirsiniz ve 7/24 çalışma için inşa edilir. 200μm'ye kadar genlikler, standart sonotrodlar (ultrasonik problar / boynuzlar) ile kolayca sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodes mevcuttur.
Hielscher ultrasonik işlemciler sonokimyasal sentez, fonksiyonelleştirme, nano yapılanma ve deagglomeration için zaten ticari ölçekte dünya çapında kurulur. Pil üretimi için nanomalzemeleri içeren süreç adımınızı tartışmak için hemen bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz üstün dağılım sonuçları, yüksek performanslı ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmayı sevecektir!
Ultrasonication avantajı ile, gelişmiş elektrot ve elektrolit üretimi diğer elektrot üreticileri ile karşılaştırıldığında verimlilik, basitlik ve düşük maliyet üstün olacaktır!

Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir: