У виробництві високопродуктивних акумуляторних батарей наноструктуровані матеріали і нанокомпозити відіграють важливу роль, забезпечуючи чудову електропровідність, більш високу щільність зберігання, високу ємність і надійність. Для того, щоб досягти повної функціональності наноматеріалів, наночастинки повинні бути індивідуально дисперсними або відлущуються і можуть потребувати подальших кроків обробки, таких як функціоналізація. Ультразвукова нано-обробка є чудовою, ефективною та надійною технікою для виробництва високопродуктивних наноматеріалів та нанокомпозитів для передового виробництва акумуляторів.

Ультразвукова дисперсія електрохімічно активних матеріалів в електродних шламах

Наноматеріали використовуються в якості інноваційних електродних матеріалів, що призвело до значного підвищення продуктивності акумуляторних батарей. Подолання агломерації, агрегації та поділу фаз має вирішальне значення для підготовки шламу для виробництва електродів, особливо коли задіяні нанорозмірні матеріали. Наноматеріали збільшують активну площу поверхні акумуляторних електродів, що дозволяє їм поглинати більше енергії під час циклів зарядки та збільшувати загальну ємність зберігання енергії. Для того, щоб отримати повну перевагу наноматеріалів, ці наноструктуровані частинки повинні бути де-заплутаними і розподілятися як окремі частинки в електродній шламі. Ультразвукова технологія дисперсії забезпечує цілеспрямовані високоміцні (сономечні) сили, а також сонохімічну енергію, що призводить до змішування атомного рівня та складності нанорозмірних матеріалів.
Наночастинки, такі як графен, вуглецеві нанотрубки (CNTs), метали і рідкоземельні мінерали, повинні бути рівномірно дисперсними в стабільну суспензію, щоб отримати високофункціональні електродні матеріали.
Наприклад, графен і ЦНТ добре відомі для підвищення продуктивності акумуляторних батарей, але агломерація частинок повинна бути подолана. Це означає, що високопродуктивна техніка дисперсії, здатна обробляти наноматеріали і, можливо, високу в'язкість, абсолютно необхідна. Ультразвукові апарати зондового типу - це високопродуктивний метод диспергування, який може обробляти наноматеріали навіть при високих твердих навантаженнях надійно та ефективно.

Чому ультразвукова обробка є чудовою технікою для обробки наноматеріалів?

Коли інші методи дисперсії та змішування, такі як змішувачі з високим зсувом, бісерні млини або гомогенізатори високого тиску, ультразвук - це метод, який виділяється обробкою мікрон 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 високопродуктивні нанокомпозити.
Оскільки ультраакукатори Hielscher дозволяють точно контролювати найважливіші ультразвукові параметри обробки, такі як інтенсивність (Ws / mL), амплітуда (мкм), температура (ºC / ºF) та тиск (бар), умови обробки можуть бути індивідуально налаштовані на оптимальні налаштування для кожного матеріалу та процесу. Таким чином, ультразвукові диспергатори дуже універсальні і можуть бути використані для численних застосувань, наприклад, дисперсія CNT, відлущування графена, сонохімічний синтез частинок оболонки ядра або функціоналізація наночастинок кремнію.

Мікрофотографії SEM сонохімічно підготовлені Na0.44MnO2 при прожарювання при 900 °C протягом 2 год.
(Дослідження і фото: ©Shinde et al., 2019)

Дізнайтеся більше про промислові ультраакукатори Hielscher для обробки наноматеріалу у виробництві акумуляторів!

Нижче ви можете знайти різні ультразвукові програми обробки наноматеріалів:

Ультразвуковий синтез нанокомпозитів

Ультразвуковий синтез графену-sno₂ нанокомпозит: Дослідницька група Deosakar et al. (2013) розробила ультразвуковий маршрут для підготовки графена-sno2 нанокомпозиту. Вони досліджували кавітаційні ефекти, що генеруються ультразвуком високої потужності під час синтезу графену-SnO2 композиту. Для ультразвукової обробки вони використовували пристрій Hielscher Ультразвук. Результати демонструють ультразвуково поліпшене тонке і рівномірне завантаження SnO₂ на графенових нанопластиках шляхом окислювально-відновлювальної реакції між оксидом графена та SnCl₂· 2H₂O в порівнянні зі звичайними методами синтезу.

Діаграма, що демонструє процес формування оксиду графену та SnO₂Графеновий нанокомпозит.
(Дослідження та фотографії: ©Деосакар та ін., 2013)

Sno₂Графеновий нанокомпозит був успішно підготовлений за допомогою нового та ефективного ультразвукового шляху хімічного синтезу на основі розчину, а оксид графена був зменшений SnCl₂ до графенових листів при наявності аналізу HCl. ТЕМ показує рівномірне і тонке завантаження SnO₂ в графенових нанопластиках. Було показано, що кавітаційні ефекти, що утворюються внаслідок використання ультразвукових опромінень, посилюють тонке та рівномірне навантаження SnO2 на графенові нанопластикові таблиці під час реакції окислення-зменшення між оксидом графена та SnCl₂· 2H₂O. Інтенсифіковане тонке і рівномірне навантаження наночастинок SnO2 (3-5 нм) на зменшені графенові нанопластинки пов'язано з посиленим зародженням і розчиненим перенесенням через кавітаційну дію, викликану ультразвуковими опроміненнями. Тонке і рівномірне завантаження SnO₂ Наночастинки на графенових нанопластиках також були підтверджені аналізом ТЕМ. Застосування синтезованого SnO₂Графітовий нанокомпозит як анодний матеріал у літій-іонних батареях демонструється. Ємність SnO₂На основі графенових нанокомпозитів Li-battery стабільна близько 120 циклів, і батарея може повторювати стабільну реакцію заряду-розряду. (Деосакар та ін., 2013)

Тем зображення SnO₂Графен нано-композитний, підготовлений сонохімічним методом. Бар вказує на (A) 10 нм , на (B) на 5 нм.
(Дослідження та фотографії: ©Деосакар та ін., 2013)

Ультразвукова дисперсія наночастинок в шламах батареї

Дисперсія компонентів електродів: Waser et al. (2011) підготовлені електроди з фосфатом літію заліза (LiFePO)₄). Гною містила LiFePO4 як активний матеріал, в якості сполучного використовувався вуглецевий чорний як електропровідна добавка, фтор полівініліду, розчинений в N-метилперролідиноні (NMP). Співвідношення маси (після висихання) AM/CB/PVDF в електродах сягло 83/8,5/8,5. Для підготовки суспензії всі електродні складові змішувалися в NMP з ультразвуковою мішалкою (UP200H, Hielscher Ультразвук) протягом 2 хв при 200 Вт і 24 кГц.
Низька електропровідність і повільна літій-іонні дифузії по одновимірним каналам LiFePO₄ можна подолати, вбудовуючи LiFePO₄ в провідній матриці, наприклад, вуглецевого чорного кольору. Оскільки нанорозмірні частинки і структури частинок ядра покращують електропровідність, технологія ультразвукової дисперсії та сонохімічний синтез частинок ядра-оболонки дозволяють виробляти чудові нанокомпозити для застосування акумуляторів.

Дисперсія фосфату літієвого заліза: Дослідницька група Хагберга (Hagberg et al., 2018) використала ультраакукатор UP100H для процедури структурно-позитивного електрода, що складається з літієвого залізофосфату (ЛФП), покритого вуглецевими волокнами. Вуглецеві волокна є безперервними, автономними кухачами, що діють як струмозабірники і забезпечать механічну жорсткість і міцність. Для оптимальної продуктивності волокна покриваються індивідуально, наприклад, за допомогою електрофоретичного осадження.
Були протестовані різні співвідношення ваги сумішей, що складаються з LFP, CB і PVDF. Ці суміші були покриті вуглецевими волокнами. Оскільки неоднорідний розподіл в покритті складами ванни може відрізнятися від складу в самому покритті, строге перемішування ультразвуком використовується для мінімізації різниці.
Вони відзначили, що частинки відносно добре дисперсні по всьому покриттю, що пов'язано з використанням поверхнево-активних речовин (Triton X-100) і кроком ультразвуку до електрофоретичного осадження.

Поперечний переріз і високе збільшення SEM зображення EPD покриті вуглецевих волокон. Суміш LFP, CB і PVDF була ультразвуково гомогенізована за допомогою ультраакукатор UP100H. Збільшення: а) 0,8кх, б) 0,8кх, с) 1,5кх, г) 30кх.
(Дослідження і фото: ©Hagberg et al., 2018)

Дисперсія ЛіНі_0.5Мн_1.5О.₄ композитний катодний матеріал:
Vidal et al. (2013) досліджував вплив таких кроків обробки, як ультразвукова обробка, тиск і склад матеріалу для LiNi_0.5Мн_1.5О.₄композитні катоди.
Позитивні композитні електроди, що мають LiNi_0.5 Мн_1.5O4 шпінель як активний матеріал, суміш графіту і вуглецю чорного кольору для підвищення електропровідності електрода і або полівінілденефториду (PVDF) або суміш PVDF з невеликою кількістю тефлону® (1 wt%) для створення електрода. Вони були оброблені литтям стрічки на алюмінієву фольгу як струм колектора, використовуючи техніку лопаті лікаря. Крім того, складові суміші були або ультразвуковими, або ні, а оброблені електроди ущільнювалися або не під подальшим холодним пресуванням. Протестовано два рецептури:
А-рецептура (без тефлону®): 78 wt% LiNi_0.5 Мн_1.5O4; 7,5 wt% вуглець чорний; 2,5 wt% графіту; 12 wt% PVDF
B-рецептура (з тефлоном®): 78wt% LiNi0_0.5Мн_1.5O4; 7,5wt% вуглецю чорний; 2,5 wt% графіту; 11 wt% PVDF; 1 wt% тефлоновий®
В обох випадках компоненти змішувалися і диспергувалися в N-метилперролідиноні (NMP). ЛіНі_0.5 Мн_1.5O4 шпінель (2г) разом з іншими компонентами в уже встановлених відсотках був дисперсний в 11 мл NMP. У деяких конкретних випадках суміш ультразвуком протягом 25 хв, а потім перемішують при кімнатній температурі протягом 48 год. У деяких інших суміш просто перемішували при кімнатній температурі протягом 48 годин, тобто без будь-якої ультразвукової обробки. Ультразвукова обробка сприяє однорідній дисперсії компонентів електрода, а отриманий LNMS-електрод виглядає більш рівномірним.
Композитні електроди з великою вагою до 17 мг/см2 готувалися і вивчалися як позитивні електроди для літій-іонних батарей. Додавання тефлону® і застосування ультразвукової обробки призводять до рівномірних електродів, які добре прилипають до алюмінієвої фольги. Обидва параметри сприяють поліпшенню потужності, що зливається з високими темпами (5С). Додаткове ущільнення електродних/алюмінієвих вузлів чудово підвищує можливості швидкості електрода. При швидкості 5C, чудова ємність утримання від 80% до 90% зустрічаються для електродів з вагою в діапазоні 3-17 мг / см², маючи тефлон® в їх рецептурі, підготовлений після ультразвукової обробки їх компонентних сумішей і ущільнений до 2 т/см².
Таким чином, електроди, що мають 1 wt% тефлоновий® в їх формулюванні, їх складові суміші піддаються ультразвуковій обробці, ущільнені на 2 тонни / см2 і з вагою в діапазоні 2,7-17 мг / см2 показали чудову здатність швидкості. Навіть при високому струмі 5С, нормалізувалася здатність розряду становила від 80% до 90% для всіх цих електродів. (пор. Відаль та ін., 2013)

Високопродуктивні ультразвукові диспергатори для виробництва акумуляторів

Hielscher Ультразвук розробляє, виробляє та поширює високоефективне ультразвукове обладнання, яке використовується для обробки катодних, анодних та електролітних матеріалів для використання в літій-іонних батареях (LIB), натрієво-іонних батареях (NIB) та інших акумуляторних батареях. Ультразвукові системи Hielscher використовуються синтезувати нанокомпозити, функціоналізувати наночастинки та розсіювати наноматеріали на однорідні, стабільні суспензії.
Пропонуючи портфель від лабораторії до повністю промислових ультразвукових процесорів, Hielscher є лідером на ринку високопродуктивних ультразвукових диспергаторів. Працюючи з більш ніж 30 років в області синтезу наноматеріалів і зменшення розміру, Hielscher Ультразвук має великий досвід обробки ультразвукових наночастинок і пропонує найпотужніші та надійні ультразвукові процесори на ринку. Німецька інженерія забезпечує найсучасніші технології та надійну якість.
Передові технології, високопродуктивне та складне програмне забезпечення перетворюють ультразвукові апарати Hielscher на надійних робочих коней у процесі виробництва електродів. Всі ультразвукові системи виробляються в штаб-квартирі в Тельтові, Німеччина, перевірені на якість і надійність, а потім поширюються з Німеччини по всьому світу.
Складне апаратне та розумне програмне забезпечення ультразвукових апаратів Hielscher призначені для забезпечення надійної роботи, відтворюваних результатів, а також зручності користувача. Ультразвукові апарати Hielscher є надійними та послідовними у продуктивності, що дозволяє встановлювати їх у вимогливі середовища та керувати ними в умовах важкого виконання. Операційні налаштування можуть бути легко доступні і набрані за допомогою інтуїтивно зрозумілого меню, до якого можна отримати доступ за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузера. 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 ультразвукові запуски та оптимізувати синтез, функціоналізацію та дисперсію наноматеріалів та композитів з найвищою ефективністю.
Hielscher Ультразвук системи використовуються в усьому світі для сонохімічного синтезу наноматеріалів і довели, що надійні для дисперсії наночастинок в стабільні колоїдні суспензії. Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть безперервно запускати високі амплітуди і побудовані для роботи 24/7. Амплітуди до 200 мкм можуть бути легко безперервно генеруватися за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукові зонди / роги). 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 комерційних масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш процес крок за участю наноматеріалів для виробництва акумуляторів! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про чудові результати дисперсії, високопродуктивні ультразвукові системи та ціноутворення!
З перевагою ультразвуку, ваше передове виробництво електродів та електролітів буде досягати успіху в ефективності, простоті та низькій вартості в порівнянні з іншими виробниками електродів!

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: