Pil Üretimi için Elektrot Malzemelerinin Sonokimyasal Sentezi

Yüksek performanslı pil hücrelerinin üretiminde, nanoyapılı malzemeler ve nanokompozitler üstün elektriksel iletkenlik, daha yüksek depolama yoğunlukları, yüksek kapasite ve güvenilirlik sunarak önemli bir rol oynar. Nanomalzemelerin tüm işlevlerinden yararlanabilmek için nanoparçacıklar tek tek disperse edilmeli veya eksfoliye edilmelidir ve işlevselleştirme gibi ek işlem adımları gerektirebilir. Ultrasonik nanoişleme, ileri pil üretimi için yüksek performanslı nanomalzemeler ve nanokompozitler üretmeye yönelik üstün, etkili ve güvenilir tekniktir.

Elektrot Bulamaçlarında Elektrokimyasal Olarak Aktif Malzemelerin Ultrasonik Dispersiyonu

Nanomalzemeler yenilikçi elektrot malzemeleri olarak kullanılmaktadır ve bu, şarj edilebilir pillerin performansını önemli ölçüde artırmıştır. Özellikle nano boyutlu malzemeler söz konusu olduğunda, elektrot üretimi için bulamaçların hazırlanmasında aglomerasyonun, agregasyonun ve faz ayrılmasının üstesinden gelmek kritik önem taşır. Nanomalzemeler, pil elektrotlarının aktif yüzey alanını artırarak şarj döngüleri sırasında daha fazla enerji almalarına ve toplam enerji depolama kapasitelerini artırmalarına olanak tanır. Nanomalzemelerin avantajlarından tam olarak yararlanabilmek için bu nanoyapılı parçacıklar birbirinden ayrılmalı ve elektrot bulamacında ayrı parçacıklar olarak dağıtılmalıdır. Ultrasonik dispersiyon teknolojisi, nano boyutlu malzemelerin atomik düzeyde karışmasına ve kompleksleşmesine yol açan odaklanmış yüksek kesme kuvvetleri (sonomekanik kuvvetler) ve sonokimyasal enerji sağlar.
Yüksek işlevselliğe sahip elektrot malzemeleri elde etmek için grafen, karbon nanotüpler (CNT’ler), metaller ve nadir toprak mineralleri gibi nanoparçacıklar kararlı bir bulamaç içinde homojen biçimde disperse edilmelidir.
Örneğin grafen ve CNT’lerin pil hücresi performansını artırdığı iyi bilinmektedir, ancak parçacık aglomerasyonunun üstesinden gelinmelidir. Bu, nanomalzemeleri ve muhtemelen yüksek viskoziteli ortamları işleyebilen yüksek performanslı bir dispersiyon tekniğinin kesinlikle gerekli olduğu anlamına gelir. Prob tipi sonikatörler, yüksek katı madde yüklerinde bile nanomalzemeleri güvenilir ve etkili biçimde işleyebilen yüksek performanslı dispersiyon yöntemidir.

Sonikasyon Nanomalzeme İşleme için Neden Üstün Teknik Olarak Öne Çıkar?

Yüksek kesmeli karıştırıcılar, boncuklu değirmenler veya yüksek basınçlı homojenizatörler gibi diğer dispersiyon ve karıştırma teknikleri sınırlarına ulaştığında, ultrasonikasyon mikron boyutlu parçacıkların ve nanoparçacıkların işlenmesinde öne çıkan yöntemdir.
Yüksek güçlü ultrason ve ultrasonik olarak oluşturulan akustik kavitasyon, nanomalzemelerin deaglomerasyonuna veya eksfoliasyonuna, işlevselleştirilmesine, aşağıdan yukarıya süreçlerde nanoyapıların sentezlenmesine ve yüksek performanslı nanokompozitlerin hazırlanmasına olanak tanıyan benzersiz enerji koşulları ve son derece yüksek enerji yoğunluğu sağlar.
Hielscher sonikatörleri şiddet (Ws/mL), genlik (µm), sıcaklık (ºC/ºF) ve basınç (bar) gibi en önemli ultrasonik işlem parametrelerinin hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanıdığından, işlem koşulları her malzeme ve süreç için ayrı ayrı en uygun ayarlara getirilebilir. Böylece ultrasonik disperserler son derece çok yönlüdür ve CNT dispersiyonu, grafen eksfoliasyonu, çekirdek–kabuk parçacıklarının sonokimyasal sentezi veya silisyum nanoparçacıklarının işlevselleştirilmesi gibi çok sayıda uygulamada kullanılabilir.

900°C’de 2 h boyunca kalsinasyonla sonokimyasal olarak hazırlanmış Na0.44MnO2’nin SEM mikrografları.
(Çalışma ve görsel: ©Shinde et al., 2019)

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

Aşağıda ultrasonla yürütülen çeşitli nanomalzeme işleme uygulamalarını bulabilirsiniz:

Nanokompozitlerin Ultrasonik Sentezi

Grafen–SnO₂ nanokompozitinin ultrasonik sentezi: Deosakar et al. (2013) araştırma ekibi, grafen–SnO2 nanokompoziti hazırlamak için ultrason destekli bir yöntem geliştirdi. Grafen–SnO2 kompozitinin sentezi sırasında yüksek güçlü ultrasonun oluşturduğu kavitasyon etkilerini araştırdılar. Sonikasyon için bir Hielscher Ultrasonics cihazı kullandılar. Sonuçlar, SnO₂ bileşiğinin grafen oksit ile SnCl₂·2H₂O arasındaki yükseltgenme–indirgenme reaksiyonu yoluyla grafen nanotabakalarına ince ve homojen biçimde yüklenmesinin, geleneksel sentez yöntemlerine kıyasla ultrasonik olarak iyileştiğini göstermektedir.

Grafen oksit ve SnO₂–grafen nanokompozitinin oluşum sürecini gösteren şema.
(Çalışma ve görseller: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafen nanokompoziti, ultrason destekli, çözelti temelli yeni ve etkili bir kimyasal sentez yöntemiyle başarıyla hazırlanmış ve grafen oksit, SnCl₂ ile HCl varlığında grafen tabakalarına indirgenmiştir. TEM analizi, SnO₂ bileşiğinin grafen nanotabakalarına homojen ve ince biçimde yüklendiğini göstermektedir. Ultrasonik ışınlamaların kullanılmasıyla oluşan kavitasyon etkilerinin, SnO2’nin grafen nanotabakalarına ince ve homojen biçimde yüklenmesini grafen oksit ile SnCl₂·2H₂O arasındaki yükseltgenme–indirgenme reaksiyonu sırasında artırdığı gösterilmiştir. SnO2 nanoparçacıklarının (3–5 nm) indirgenmiş grafen nanotabakalarına ince ve homojen biçimde yüklenmesindeki artış, ultrasonik ışınlamaların oluşturduğu kavitasyon etkisi nedeniyle çekirdeklenmenin ve çözünen madde aktarımının artmasına bağlanmaktadır. SnO₂ nanoparçacıklarının grafen nanotabakalarına ince ve homojen biçimde yüklenmesi TEM analiziyle de doğrulanmıştır. Sentezlenen SnO₂–grafen nanokompozitinin lityum iyon pillerde anot malzemesi olarak uygulanması gösterilmiştir. SnO₂–grafen nanokompoziti temelli Li pilinin kapasitesi yaklaşık 120 döngü boyunca kararlıdır ve pil, kararlı şarj–deşarj reaksiyonunu tekrarlayabilmiştir. (Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafen nanokompozitinin sonokimyasal yöntemle hazırlanmış hâlinin TEM görüntüsü. Ölçek çubuğu (A)’da 10nm, (B)’de 5nm değerini gösterir.
(Çalışma ve görseller: ©Deosakar et al., 2013)

Nanoparçacıkların Pil Bulamaçlarına Ultrasonik Dispersiyonu

Elektrot bileşenlerinin dispersiyonu: Waser et al. (2011), lityum demir fosfat (LiFePO₄) içeren elektrotlar hazırladı. Bulamaç, aktif malzeme olarak LiFePO4 ve elektriksel olarak iletken katkı maddesi olarak karbon siyahı içeriyordu; N-metilpirolidinon (NMP) içinde çözündürülmüş poliviniliden florür bağlayıcı olarak kullanıldı. Elektrotlardaki AM/CB/PVDF kütle oranı (kurutma sonrasında) 83/8,5/8,5 idi. Süspansiyonları hazırlamak için tüm elektrot bileşenleri, NMP içinde bir ultrasonik karıştırıcı (UP200H, Hielscher Ultrasonics) ile 200 W ve 24 kHz’de 2 min boyunca karıştırıldı.
LiFePO₄ bileşiğinin tek boyutlu kanalları boyunca düşük elektriksel iletkenlik ve yavaş Li iyonu difüzyonu, LiFePO₄ bileşiğinin karbon siyahı gibi iletken bir matrise gömülmesiyle giderilebilir. Nano boyutlu parçacıklar ve çekirdek–kabuk parçacık yapıları elektriksel iletkenliği iyileştirdiğinden, ultrasonik dispersiyon teknolojisi ve çekirdek–kabuk parçacıklarının sonokimyasal sentezi, pil uygulamaları için üstün nanokompozitler üretmeye olanak tanır.

Lityum demir fosfatın dispersiyonu: Hagberg araştırma ekibi (Hagberg et al., 2018), lityum demir fosfat (LFP) kaplı karbon liflerden oluşan yapısal pozitif elektrodun hazırlanması işleminde UP100H sonikatörünü kullandı. Karbon lifler, akım toplayıcı görevi gören sürekli, kendini taşıyan lif demetleridir ve mekanik rijitlik ve dayanım sağlayacaktır. En uygun performans için lifler, örneğin elektroforetik biriktirme kullanılarak tek tek kaplanır.
LFP, CB ve PVDF’den oluşan karışımların farklı ağırlık oranları test edildi. Bu karışımlar karbon liflere kaplandı. Homojen olmayan dağılım nedeniyle kaplama banyosunun bileşimi kaplamanın kendi bileşiminden farklı olabileceğinden, farkı en aza indirmek için ultrasonikasyonla yoğun karıştırma uygulanır.
Parçacıkların kaplama boyunca nispeten iyi disperse edildiğini belirttiler; bu durum, yüzey aktif madde (Triton X-100) kullanımına ve elektroforetik biriktirme öncesindeki ultrasonikasyon adımına bağlanmaktadır.

EPD ile kaplanmış karbon liflerin kesit ve yüksek büyütmeli SEM görüntüleri. LFP, CB ve PVDF karışımı, UP100H sonikatörü kullanılarak ultrasonik olarak homojenize edildi. Büyütmeler: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Çalışma ve görsel: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katot malzemesinin dispersiyonu:
Vidal et al. (2013), LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katotları için sonikasyon, basınç ve malzeme bileşimi gibi işlem adımlarının etkisini araştırdı.
Pozitif kompozit elektrotlar, aktif malzeme olarak LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spineli, elektrodun elektriksel iletkenliğini artırmak için grafit ve karbon siyahı karışımı ve elektrodu oluşturmak için ya poliviniliden florür (PVDF) ya da PVDF ile az miktarda Teflon® (1 wt%) karışımı içeriyordu. Bunlar, akım toplayıcı olarak kullanılan alüminyum folyo üzerine sıyırıcı bıçak tekniğiyle şerit döküm uygulanarak işlendi. Ayrıca bileşen karışımları sonikasyona tabi tutuldu veya tutulmadı ve işlenen elektrotlar, ardından uygulanan soğuk presleme altında sıkıştırıldı veya sıkıştırılmadı. İki formülasyon test edildi:
A Formülasyonu (Teflon® içermeyen): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% karbon siyahı; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B Formülasyonu (Teflon® içeren): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% karbon siyahı; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Her iki durumda da bileşenler N-metilpirolidinon (NMP) içinde karıştırıldı ve disperse edildi. LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spineli (2g), belirtilen yüzdelerde önceden hazırlanmış diğer bileşenlerle birlikte 11 ml NMP içinde disperse edildi. Bazı özel durumlarda karışım 25 min boyunca sonikasyona tabi tutuldu ve ardından oda sıcaklığında 48 h boyunca karıştırıldı. Diğer bazı durumlarda ise karışım yalnızca oda sıcaklığında 48 h boyunca karıştırıldı, yani herhangi bir sonikasyon uygulanmadı. Sonikasyon işlemi, elektrot bileşenlerinin homojen dispersiyonunu destekler ve elde edilen LNMS elektrodu daha homojen görünür.
17mg/cm2’ye kadar yüksek ağırlıklı kompozit elektrotlar hazırlandı ve lityum iyon piller için pozitif elektrotlar olarak incelendi. Teflon® ilavesi ve sonikasyon işleminin uygulanması, alüminyum folyoya iyi yapışan homojen elektrotlar elde edilmesini sağlar. Her iki parametre de yüksek hızlarda (5C) çekilebilen kapasitenin iyileştirilmesine katkıda bulunur. Elektrot/alüminyum düzeneklerinin ek olarak sıkıştırılması, elektrotların hız kabiliyetlerini belirgin biçimde artırır. 5C hızında %80 ile %90 arasında kayda değer kapasite koruma oranları, ağırlıkları 3–17mg/cm² aralığında olan, formülasyonlarında Teflon® içeren, bileşen karışımlarının sonikasyonundan sonra hazırlanmış ve 2 tonnes/cm² basınç altında sıkıştırılmış elektrotlarda bulunmuştur.
Özetle, formülasyonlarında 1 wt% Teflon® içeren, bileşen karışımları sonikasyon işlemine tabi tutulmuş, 2 tonnes/cm2 basınçta sıkıştırılmış ve ağırlıkları 2,7–17 mg/cm2 aralığında olan elektrotlar kayda değer bir hız kabiliyeti göstermiştir. 5C gibi yüksek bir akımda bile normalize edilmiş deşarj kapasitesi, bu elektrotların tümü için %80 ile %90 arasındaydı. (bkz. Vidal et al., 2013)

Pil Üretimi için Yüksek Performanslı Ultrasonik Disperserler

Hielscher Ultrasonics, lityum iyon pillerde (LIB), sodyum iyon pillerde (NIB) ve diğer pil hücrelerinde kullanılacak katot, anot ve elektrolit malzemelerinin işlenmesinde kullanılan yüksek güçlü, yüksek performanslı ultrasonik ekipmanlar tasarlar, üretir ve dağıtır. Hielscher ultrasonik sistemleri, nanokompozitleri sentezlemek, nanoparçacıkları işlevselleştirmek ve nanomalzemeleri homojen, kararlı süspansiyonlar içinde disperse etmek için kullanılır.
Laboratuvar ölçeğinden tamamen endüstriyel ölçeğe kadar uzanan bir ultrasonik işlemci portföyü sunan Hielscher, yüksek performanslı ultrasonik disperserlerde pazar lideridir. Nanomalzeme sentezi ve boyut küçültme alanında 30 yılı aşkın süredir çalışan Hielscher Ultrasonics, ultrasonik nanoparçacık işleme konusunda kapsamlı deneyime sahiptir ve piyasadaki en güçlü ve en güvenilir ultrasonik işlemcileri sunar. Alman mühendisliği, en ileri teknolojiyi ve sağlam kaliteyi sağlar.
İleri teknoloji, yüksek performans ve gelişmiş yazılım, Hielscher sonikatörlerini elektrot üretim sürecinizde güvenilir iş makinelerine dönüştürür. Tüm ultrasonik sistemler Almanya’nın Teltow kentindeki genel merkezde üretilir, kalite ve sağlamlık açısından test edilir ve ardından Almanya’dan tüm dünyaya dağıtılır.
Hielscher sonikatörlerinin gelişmiş donanımı ve akıllı yazılımı, güvenilir çalışmayı, tekrarlanabilir sonuçları ve kullanıcı dostu kullanımı garanti etmek üzere tasarlanmıştır. Hielscher sonikatörleri sağlamdır ve tutarlı performans gösterir; bu da zorlu ortamlara kurulmalarına ve ağır hizmet koşullarında çalıştırılmalarına olanak tanır. Çalışma ayarlarına, dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol aracılığıyla erişilebilen sezgisel menü üzerinden kolayca ulaşılabilir ve ayarlar seçilebilir. Böylece net enerji, toplam enerji, genlik, süre, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları, dahili bir SD karta otomatik olarak kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon çalışmalarını gözden geçirip karşılaştırmanıza ve nanomalzemelerin ve kompozitlerin sentezini, işlevselleştirilmesini ve dispersiyonunu en yüksek verimliliğe ulaşacak şekilde optimize etmenize olanak tanır.
Hielscher Ultrasonics sistemleri, nanomalzemelerin sonokimyasal sentezi için dünya çapında kullanılmaktadır ve nanoparçacıkların kararlı kolloidal süspansiyonlar içinde dispersiyonu için güvenilir oldukları kanıtlanmıştır. Hielscher endüstriyel sonikatörleri yüksek genliklerde sürekli çalışabilir ve 24/7 çalışma için üretilmiştir. Standart sonotrotlarla (ultrasonik problar / hornlar) 200µm’ye kadar genlikler kolayca ve sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
Sonokimyasal sentez, işlevselleştirme, nanoyapılandırma ve deaglomerasyon için Hielscher ultrasonik işlemcileri dünya çapında ticari ölçekte hâlihazırda kurulmuştur. Pil üretiminde nanomalzemeleri içeren işlem adımınızı görüşmek için hemen bizimle iletişime geçin! Deneyimli ekibimiz, üstün dispersiyon sonuçları, yüksek performanslı ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!
Ultrasonikasyonun avantajıyla, ileri elektrot ve elektrolit üretiminiz diğer elektrot üreticilerine kıyasla verimlilik, kolaylık ve düşük maliyet açısından üstün olacaktır!

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir: