Сонохімічний синтез електродних матеріалів для виробництва акумуляторів

У виробництві високопродуктивних акумуляторних елементів наноструктуровані матеріали та нанокомпозити відіграють важливу роль, забезпечуючи чудову електропровідність, вищу щільність зберігання, високу ємність та надійність. Для того, щоб досягти повної функціональності наноматеріалів, наночастинки повинні бути індивідуально дисперговані або відлущені, і можуть знадобитися подальші етапи обробки, такі як функціоналізація. Ультразвукова нанообробка – це найкраща, ефективна та надійна техніка для виробництва високопродуктивних наноматеріалів і нанокомпозитів для передового виробництва акумуляторів.

Ультразвукове диспергування електрохімічно активних матеріалів в електродних суспензіях

В якості інноваційних електродних матеріалів використовуються наноматеріали, що дозволило значно підвищити продуктивність акумуляторних батарей. Подолання агломерації, агрегації та розділення фаз має вирішальне значення для приготування суспензій для виробництва електродів, особливо коли використовуються нанорозмірні матеріали. Наноматеріали збільшують площу активної поверхні електродів акумуляторів, що дозволяє їм поглинати більше енергії під час циклів заряджання та збільшувати загальну ємність зберігання енергії. Для того, щоб отримати повну перевагу наноматеріалів, ці наноструктуровані частинки повинні бути розплутані та розподілені у вигляді окремих частинок у суспензії електрода. Технологія ультразвукового диспергування забезпечує сфокусовані високозсувні (сономічні) сили, а також сонохімічну енергію, що призводить до змішування на атомному рівні та комплексоутворення нанорозмірних матеріалів.
Наночастинки, такі як графен, вуглецеві нанотрубки (ВНТ), метали та рідкоземельні мінерали, повинні бути рівномірно дисперговані в стабільній суспензії, щоб отримати високофункціональні електродні матеріали.
Наприклад, добре відомо, що графен і ВНТ покращують продуктивність акумуляторних елементів, але агломерацію частинок необхідно подолати. Це означає, що абсолютно необхідна високоефективна дисперсійна техніка, здатна обробляти наноматеріали і, можливо, з високою в'язкістю. Ультразвукові апарати зондового типу – це високопродуктивний метод диспергування, який може надійно та ефективно обробляти наноматеріали навіть при високих твердих навантаженнях.

Чому ультразвук є найкращою технікою для обробки наноматеріалів?

Коли інші методи диспергування та змішування, такі як змішувачі з високим зсувом, гранульовані млини або гомогенізатори високого тиску, досягають своїх меж, ультразвук є методом, який виділяється для обробки мікронних та наночастинок.
Ультразвук високої потужності та ультразвукова акустична кавітація забезпечують унікальні енергетичні умови та екстремальну щільність енергії, що дозволяє деагломерувати або відлущувати наноматеріали, функціоналізувати їх, синтезувати наноструктури в процесах «знизу-вгору» та готувати високоефективні нанокомпозити.
Оскільки ультразвукові апарати Hielscher дозволяють точно контролювати найважливіші параметри ультразвукової обробки, такі як інтенсивність (Ws/mL), амплітуда (мкм), температура (ºC/ºF) і тиск (бар), умови обробки можна індивідуально налаштувати на оптимальні налаштування для кожного матеріалу та процесу. Таким чином, ультразвукові диспергатори є дуже універсальними і можуть використовуватися для численних застосувань, наприклад, диспергування ВНТ, ексфоліація графену, сонохімічний синтез частинок оболонки ядра або функціоналізація наночастинок кремнію.

Мікрофотографії СЕМ сонохомічно приготовленого Na0,44MnO2 шляхом кальцинації при 900°С протягом 2 год.(Дослідження та ілюстрація: ©Shinde et al., 2019)

Дізнайтеся більше про промислові ультразвукові апарати Hielscher для обробки наноматеріалів у виробництві акумуляторів!

Нижче ви можете знайти різні ультразвукові застосування обробки наноматеріалів:

Ультразвуковий синтез нанокомпозитів

Ультразвуковий синтез графену–SnO₂ Нанокомпозит: Дослідницька група Deosakar et al. (2013) розробила ультразвуковий маршрут для приготування нанокомпозиту графен–SnO2. Вони досліджували кавітаційні ефекти, що генеруються ультразвуком високої потужності під час синтезу композиту графен–SnO2. Для ультразвукового дослідження вони використовували апарат Hielscher Ultrasonics. Результати демонструють ультразвуково покращене тонке та рівномірне навантаження SnO₂ на графенових нанолистах реакцією окислення–відновлення між оксидом графену та SnCl₂·2 год₂O в порівнянні з традиційними методами синтезу.

Діаграма, що демонструє процес утворення оксиду графену та SnO₂–Графеновий нанокомпозит.(Дослідження та ілюстрації: ©Deosakar et al., 2013)

СнО₂–Графеновий нанокомпозит був успішно отриманий за допомогою нового та ефективного шляху хімічного синтезу на основі ультразвукового розчину, а оксид графену було відновлено за допомогою SnCl₂ до графенових листів у присутності HCl. Аналіз TEM показує рівномірне та дрібне навантаження SnO₂ у графенових нанолистах. Показано, що кавітаційні ефекти, отримані завдяки використанню ультразвукового опромінення, посилюють тонке та рівномірне навантаження SnO2 на графенові нанолисти під час реакції окислення–відновлення між оксидом графену та SnCl₂·2 год₂O. Інтенсифіковане дрібне та рівномірне навантаження наночастинок SnO2 (3–5 нм) на відновлені графенові нанолисти пояснюється посиленим зародженням та перенесенням розчиненої речовини внаслідок кавітаційного ефекту, індукованого ультразвуковим опроміненням. Дрібне і рівномірне завантаження SnO₂ Наночастинки на графенових нанолистах також були підтверджені за допомогою аналізу ТЕМ. Застосування синтезованого SnO₂–Демонструється нанокомпозит графену як анодний матеріал у літій-іонних батареях. Ємність SnO₂–Літій-батарея на основі графенового нанокомпозиту стабільна протягом близько 120 циклів, і батарея може повторювати стабільну реакцію заряду-розряду. (Деосакар та ін., 2013)

Зображення ТЕМ SnO₂–Графеновий нанокомпозит, отриманий сонохімічним методом. Смужка вказує на (A) 10 нм, на (B) на 5 нм.(Дослідження та ілюстрації: ©Deosakar et al., 2013)

Ультразвукове диспергування наночастинок у суспензії акумуляторів

Дисперсія компонентів електоду: Waser et al. (2011) підготували електроди з літій-залізофосфатом (LiFePO₄). Суспензія містила LiFePO4 як активний матеріал, сажу як електропровідну добавку, в якості сполучної речовини використовувався полівініліденфторид, розчинений у N-метилпіролідіноні (NMP). Масове відношення (після сушіння) AM/CB/PVDF в електродах становило 83/8,5/8,5. Для приготування суспензій всі складові електроди змішували в НМП з ультразвуковою мішалкою (UP200H, Hielscher Ultrasonics) протягом 2 хв на 200 Вт і 24 кГц.
Низька електропровідність і повільна дифузія Li-ion по одновимірних каналах LiFePO₄ можна подолати шляхом вбудовування LiFePO₄ у провідній матриці, наприклад, сажі. Оскільки нанорозмірні частинки та структури частинок ядра-оболонки покращують електропровідність, технологія ультразвукової дисперсії та сонохімічний синтез частинок ядро-оболонка дозволяють виробляти чудові нанокомпозити для застосувань у батареях.

Дисперсія літій-залізофосфату: Дослідницька група Hagberg (Hagberg et al., 2018) використовувала метод Ультразвуковий апарат UP100H для процедури структурного позитивного електрода, що складається з вуглецевих волокон з літій-залізофосфатним (LFP) покриттям. Вуглецеві волокна є безперервними, самостоячими клоччями, які виконують роль струмоприймачів і забезпечать механічну жорсткість і міцність. Для оптимальної продуктивності волокна покриваються індивідуально, наприклад, за допомогою електрофоретичного осадження.
Були випробувані різні вагові співвідношення сумішей, що складаються з LFP, CB і PVDF. Ці суміші наносили на вуглецеві волокна. Оскільки неоднорідний розподіл складів у ванній для покриття може відрізнятися від складу в самому покритті, для мінімізації різниці використовується ретельне перемішування ультразвуком.
Вони зазначили, що частинки відносно добре розсіюються по всьому покриттю, що пояснюється використанням поверхнево-активної речовини (Triton X-100) та етапом ультразвуку перед електрофоретичним осадженням.

Поперечний переріз і велике збільшення SEM-зображень вуглецевих волокон з покриттям EPD. Суміш LFP, CB і PVDF була ультразвуково гомогенізована за допомогою Ультразвуковий апарат UP100H. Збільшення: a) 0.8kx, b) 0.8kx, c) 1.5kx, d) 30kx.(Дослідження та ілюстрація: ©Hagberg et al., 2018)

Дисперсія LiNi_0.5Мн_1.5O₄ Матеріал композитного катода:
Vidal et al. (2013) досліджували вплив етапів обробки, таких як звуковий звук, тиск і склад матеріалу, на LiNi_0.5Мн_1.5O₄композитні катоди.
Позитивні композитні електроди, що мають LiNi_0.5 Мн_1.5Шпінель O4 як активний матеріал, суміш графіту та технічного вуглецю для підвищення електропровідності електрода та полівінілденфторид (PVDF) або суміш PVDF з невеликою кількістю тефлону® (1 маса%) для нарощування електрода. Вони були оброблені методом лиття стрічки на алюмінієвій фользі як струмоприймач за допомогою техніки докторського леза. Крім того, суміші компонентів були або ультразвуковими, або ні, а оброблені електроди ущільнювалися або не ущільнювалися при подальшому холодному пресуванні. Було протестовано дві формули:
Формула A (без тефлону®): 78 мас.% LiNi_0.5 Мн_1.5О4; 7,5 мас.% технічного вуглецю; 2,5 мас.% графіту; 12 мас.% PVDF
B-формула (з тефлоном®): 78wt% LiNi0_0.5Мн_1.5О4; 7,5 мас.% технічного вуглецю; 2,5 мас.% графіту; 11 мас.% PVDF; 1 маса% тефлону®
В обох випадках компоненти змішувалися і диспергувалися в N-метилпіролідіноні (NMP). ЛіНі_0.5 Мн_1.5Шпінель О4 (2 г) разом з іншими компонентами в уже зазначених відсотках була диспергована в 11 мл НМП. У деяких окремих випадках суміш піддавали ультразвуковому апарату протягом 25 хв, а потім перемішували при кімнатній температурі протягом 48 год. У деяких інших суміш просто перемішували при кімнатній температурі протягом 48 год, тобто без будь-якого ультразвуку. Обробка ультразвуком сприяє однорідному дисперсуванню компонентів електрода, і отриманий LNMS-електрод виглядає більш однорідним.
Композитні електроди з великою вагою, до 17 мг/см2, були підготовлені та вивчені як позитивні електроди для літій-іонних акумуляторів. Додавання тефлону® та застосування ультразвукової обробки призводять до отримання однорідних електродів, які добре приклеюються до алюмінієвої фольги. Обидва параметри сприяють поліпшенню ємності, що розряджається при високих показниках (5С). Додаткове ущільнення вузлів електродів/алюмінію значно розширює можливості швидкості електрода. При швидкості 5С виявляються значні збереження ємності від 80% до 90% для електродів з вагою в діапазоні 3-17 мг/см², що мають у своєму складі тефлон®, приготований після ультразвукового дослідження їх компонентних сумішей і ущільнений до 2 т/см².
Таким чином, електроди, що містять 1 масовий % тефлону® в своєму складі, їх суміші компонентів, піддані ультразвуковій обробці, ущільнені при 2 тонни/см2 і з вагою в діапазоні 2,7-17 мг/см2, показали чудову здатність до швидкості. Навіть при високому струмі 5С нормована ємність розряду становила від 80% до 90% для всіх цих електродів. (пор. Vidal et al., 2013)

Високопродуктивні ультразвукові диспергатори для виробництва акумуляторів

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує потужне, високопродуктивне ультразвукове обладнання, яке використовується для обробки катодних, анодних та електролітних матеріалів для використання в літій-іонних батареях (LIB), натрій-іонних батареях (NIB) та інших акумуляторних елементах. Ультразвукові системи Hielscher використовуються для синтезу нанокомпозитів, функціоналізації наночастинок, диспергування наноматеріалів в однорідні, стабільні суспензії.
Пропонуючи портфоліо від лабораторних до повністю промислового масштабу ультразвукових процесорів, компанія Hielscher є лідером на ринку високопродуктивних ультразвукових диспергаторів. Працюючи понад 30 років у галузі синтезу наноматеріалів та зменшення розміру, компанія Hielscher Ultrasonics має великий досвід в ультразвуковій обробці наночастинок і пропонує найпотужніші та найнадійніші ультразвукові процесори на ринку. Німецьке машинобудування забезпечує найсучасніші технології та надійну якість.
Передові технології, високопродуктивне та складне програмне забезпечення перетворюють ультразвукові апарати Hielscher на надійних робочих конячок у процесі виробництва електродів. Всі ультразвукові системи виробляються в штаб-квартирі в Тельтові, Німеччина, перевіряються на якість і міцність, а потім розповсюджуються з Німеччини по всьому світу.
Складне апаратне забезпечення та інтелектуальне програмне забезпечення ультразвукових приладів Hielscher розроблені таким чином, щоб гарантувати надійну роботу, відтворювані результати, а також зручність для користувача. Ультразвукові апарати Hielscher надійні та стабільні за продуктивністю, що дозволяє встановлювати їх у вимогливих умовах та експлуатувати у важких умовах. Доступ до робочих налаштувань можна легко отримати та набрати за допомогою інтуїтивно зрозумілого меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузером. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглядати та порівнювати попередні серії ультразвукового випромінювання та оптимізувати синтез, функціоналізацію та диспергування наноматеріалів і композитів з максимальною ефективністю.
Ультразвукові системи Hielscher використовуються у всьому світі для сонохімічного синтезу наноматеріалів і довели свою надійність для диспергування наночастинок у стабільні колоїдні суспензії. Промислові ультразвуки Hielscher можуть безперервно працювати з високими амплітудами і створені для роботи в режимі 24/7. Амплітуди до 200 мкм можуть бути легко безперервно генеровані за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукових зондів? ріжків). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Ультразвукові процесори Hielscher для сонохімічного синтезу, функціоналізації, наноструктурування та деагломерації вже встановлені у всьому світі в промислових масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити етап вашого процесу використання наноматеріалів для виробництва акумуляторів! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про чудові результати дисперсії, високопродуктивні ультразвукові системи та ціни!
Завдяки перевагам ультразвуку ваше передове виробництво електродів і електролітів буде відрізнятися ефективністю, простотою та низькою вартістю в порівнянні з іншими виробниками електродів!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: