Batareya ishlab chiqarish uchun elektrod materiallarining sonokimyoviy sintezi

Yuqori samarali batareya elementlarini ishlab chiqarishda nanostrukturali materiallar va nanokompozitlar ustun elektr oʻtkazuvchanligi, yuqoriroq energiya saqlash zichligi, yuqori sigʻim va ishonchlilikni taʼminlab, muhim rol oʻynaydi. Nanomateriallarning barcha funksional imkoniyatlaridan foydalanish uchun nanozarrachalar alohida disperslanishi yoki qatlamlarga ajratilishi kerak va funksionallashtirish kabi qoʻshimcha ishlov berish bosqichlari talab qilinishi mumkin. Ultratovushli nanoishlov berish ilgʻor batareyalar ishlab chiqarish uchun yuqori samarali nanomateriallar va nanokompozitlar tayyorlashning ustun, samarali va ishonchli usulidir.

Elektrod suspenziyalarida elektrokimyoviy faol materiallarni ultratovush yordamida disperslash

Nanomateriallar innovatsion elektrod materiallari sifatida qoʻllaniladi, bu esa qayta zaryadlanuvchi batareyalar samaradorligini sezilarli darajada oshirdi. Elektrod ishlab chiqarish uchun suspenziyalar tayyorlashda, ayniqsa nanooʻlchamli materiallar ishlatilganda, aglomeratsiya, agregatsiya va fazalarning ajralishini bartaraf etish juda muhimdir. Nanomateriallar batareya elektrodlarining faol sirt maydonini oshiradi, bu esa ularga zaryadlash sikllari davomida koʻproq energiya yutish va umumiy energiya saqlash sigʻimini oshirish imkonini beradi. Nanomateriallarning afzalliklaridan toʻliq foydalanish uchun bu nanostrukturali zarrachalarning chigallashuvi bartaraf etilishi va ular elektrod suspenziyasida alohida zarrachalar sifatida taqsimlanishi kerak. Ultratovushli disperslash texnologiyasi jamlangan kuchli siljish (sonomexanik) kuchlarini hamda sonokimyoviy energiyani taʼminlaydi, bu esa nanooʻlchamli materiallarning atom darajasida aralashishi va komplekslar hosil qilishiga olib keladi.
Yuqori funksional xususiyatlarga ega elektrod materiallarini olish uchun grafen, uglerod nanonaychalari (CNTs), metallar va kamyob yer minerallari kabi nanozarrachalar barqaror suspenziyada bir tekis disperslanishi kerak.
Masalan, grafen va CNTs batareya elementi samaradorligini oshirishi yaxshi maʼlum, ammo zarrachalar aglomeratsiyasini bartaraf etish kerak. Bu nanomateriallarga va, ehtimol, yuqori qovushqoqlikka ega tizimlarga ishlov bera oladigan yuqori samarali disperslash usuli mutlaqo zarurligini anglatadi. Zond turidagi ultratovush qurilmalari nanomateriallarga hatto qattiq moddalar miqdori yuqori boʻlganda ham ishonchli va samarali ishlov bera oladigan yuqori samarali disperslash usulidir.

Nega ultratovush bilan ishlov berish nanomateriallarga ishlov berishning ustun usuli hisoblanadi?

Kuchli siljishli aralashtirgichlar, munchoqli tegirmonlar yoki yuqori bosimli gomogenizatorlar kabi boshqa disperslash va aralashtirish usullari oʻz imkoniyatlari chegarasiga yetganda, ultratovush bilan ishlov berish mikro va nanozarrachalarga ishlov berishda ajralib turadigan usuldir.
Yuqori quvvatli ultratovush va ultratovush yordamida hosil qilinadigan akustik kavitatsiya noyob energetik sharoitlar va nihoyatda yuqori energiya zichligini taʼminlaydi. Bu nanomateriallar aglomeratlarini parchalash yoki ularni qatlamlarga ajratish, funksionallashtirish, kichik tarkibiy qismlardan yirikroq tuzilmalar hosil qilish jarayonlarida nanostrukturalarni sintez qilish va yuqori samarali nanokompozitlar tayyorlash imkonini beradi.
Hielscher ultratovush qurilmalari intensivlik (Ws/mL), amplituda (µm), harorat (ºC/ºF) va bosim (bar) kabi ultratovush bilan ishlov berishning eng muhim parametrlarini aniq boshqarish imkonini bergani uchun, har bir material va jarayon uchun ishlov berish sharoitlarini alohida ravishda optimal sozlamalarga moslashtirish mumkin. Shu sababli ultratovushli disperslagichlar juda koʻp qirrali boʻlib, CNT disperslash, grafenni qatlamlarga ajratish, yadro–qobiq zarrachalarining sonokimyoviy sintezi yoki kremniy nanozarrachalarini funksionallashtirish kabi koʻplab maqsadlarda qoʻllanilishi mumkin.

900°C da 2 h davomida kalsinatsiyalash orqali sonokimyoviy usulda tayyorlangan Na0.44MnO2 ning SEM mikrotasvirlari.
(Tadqiqot va rasm: ©Shinde et al., 2019)

Batareya ishlab chiqarishda nanomateriallarga ishlov berish uchun Hielscher sanoat ultratovush qurilmalari haqida koʻproq bilib oling!

Quyida nanomateriallarga ultratovush yordamida ishlov berishning turli qoʻllanishlarini topishingiz mumkin:

Nanokompozitlarning ultratovushli sintezi

Grafen–SnO₂ nanokompozitining ultratovushli sintezi: Deosakar et al. (2013) tadqiqot guruhi grafen–SnO2 nanokompozitini tayyorlash uchun ultratovush yordamidagi usulni ishlab chiqdi. Ular grafen–SnO2 kompoziti sintezi davomida yuqori quvvatli ultratovush hosil qiladigan kavitatsion taʼsirlarni oʻrgandilar. Ultratovush bilan ishlov berish uchun ular Hielscher Ultrasonics qurilmasidan foydalandilar. Natijalar anʼanaviy sintez usullariga nisbatan ultratovush yordamida SnO₂ ning grafen nanovaraqlariga mayda zarrachalar holida va bir tekis joylashtirilishi grafen oksidi bilan SnCl₂·2H₂O oʻrtasidagi oksidlanish–qaytarilish reaksiyasi orqali yaxshilanganini koʻrsatadi.

Grafen oksidi va SnO₂–grafen nanokompozitining hosil boʻlish jarayonini koʻrsatuvchi diagramma.
(Tadqiqot va rasmlar: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–grafen nanokompoziti eritmaga asoslangan, ultratovush yordamidagi yangi va samarali kimyoviy sintez usuli orqali muvaffaqiyatli tayyorlandi va grafen oksidi SnCl₂ yordamida HCl ishtirokida grafen varaqlarigacha qaytarildi. TEM tahlili SnO₂ ning grafen nanovaraqlarida bir tekis va mayda zarrachalar holida joylashganini koʻrsatadi. Ultratovush nurlanishidan foydalanish natijasida yuzaga kelgan kavitatsion taʼsirlar SnO2 ning grafen nanovaraqlariga mayda zarrachalar holida va bir tekis joylashtirilishini grafen oksidi bilan SnCl₂·2H₂O oʻrtasidagi oksidlanish–qaytarilish reaksiyasi davomida kuchaytirishi koʻrsatildi. SnO2 nanozarrachalarining (3–5 nm) qaytarilgan grafen nanovaraqlariga mayda zarrachalar holida va bir tekis joylashtirilishining kuchayishi ultratovush nurlanishi keltirib chiqargan kavitatsion taʼsir tufayli yadrolanish va erigan modda koʻchishining kuchayishi bilan izohlanadi. SnO₂ nanozarrachalarining grafen nanovaraqlariga mayda zarrachalar holida va bir tekis joylashtirilishi TEM tahlili bilan ham tasdiqlandi. Sintez qilingan SnO₂–grafen nanokompozitining litiy-ion batareyalarda anod materiali sifatida qoʻllanilishi koʻrsatildi. SnO₂–grafen nanokompozitiga asoslangan Li-batareyaning sigʻimi taxminan 120 sikl davomida barqaror boʻlib, batareya barqaror zaryadlanish–zaryadsizlanish reaksiyasini takrorlay oldi. (Deosakar et al., 2013)

Sonokimyoviy usulda tayyorlangan SnO₂–grafen nanokompozitining TEM tasviri. Masshtab chizigʻi (A) da 10nm, (B) da 5nm ni koʻrsatadi.
(Tadqiqot va rasmlar: ©Deosakar et al., 2013)

Nanozarrachalarni batareya suspenziyalarida ultratovush yordamida disperslash

Elektrod tarkibiy qismlarini disperslash: Waser et al. (2011) litiy temir fosfat (LiFePO₄) bilan elektrodlar tayyorladilar. Suspenziya faol material sifatida LiFePO4, elektr oʻtkazuvchi qoʻshimcha sifatida uglerod qurumini oʻz ichiga olgan, bogʻlovchi sifatida esa N-metilpirrolidinonda (NMP) eritilgan poliviniliden ftorid ishlatilgan. Elektrodlarda AM/CB/PVDF ning massa nisbati (quritilgandan keyin) 83/8,5/8,5 boʻlgan. Suspenziyalarni tayyorlash uchun barcha elektrod tarkibiy qismlari NMP da ultratovushli aralashtirgich (UP200H, Hielscher Ultrasonics) yordamida 200 W va 24 kHz da 2 min davomida aralashtirilgan.
LiFePO₄ ning bir oʻlchamli kanallari boʻylab past elektr oʻtkazuvchanligi va sekin Li-ion diffuziyasini LiFePO₄ ni elektr oʻtkazuvchi matritsaga, masalan, uglerod qurumiga kiritish orqali bartaraf etish mumkin. Nanooʻlchamli zarrachalar va yadro–qobiq tuzilishidagi zarrachalar elektr oʻtkazuvchanligini yaxshilagani sababli, ultratovushli disperslash texnologiyasi va yadro–qobiq zarrachalarining sonokimyoviy sintezi batareyalarda qoʻllash uchun ustun xususiyatli nanokompozitlar ishlab chiqarish imkonini beradi.

Litiy temir fosfatni disperslash: Hagberg tadqiqot guruhi (Hagberg et al., 2018) UP100H ultratovush qurilmasidan litiy temir fosfat (LFP) bilan qoplangan uglerod tolalaridan iborat konstruksion musbat elektrodni tayyorlash jarayonida foydalandi. Uglerod tolalari tok yigʻgich vazifasini bajaradigan uzluksiz, oʻzini tutib turuvchi tola tutamlari boʻlib, mexanik bikrlik va mustahkamlikni taʼminlaydi. Optimal samaradorlik uchun tolalar alohida, masalan, elektroforetik choʻktirish yordamida qoplanadi.
LFP, CB va PVDF dan iborat aralashmalarning turli ogʻirlik nisbatlari sinovdan oʻtkazildi. Bu aralashmalar uglerod tolalariga qoplandi. Notekis taqsimlanish tufayli qoplash vannasidagi tarkib qoplamaning oʻzidagi tarkibdan farq qilishi mumkinligi sababli, bu farqni minimallashtirish uchun ultratovush bilan jadal aralashtirish qoʻllaniladi.
Ular zarrachalar qoplama boʻylab nisbatan yaxshi disperslanganini qayd etdilar; bu sirt-faol modda (Triton X-100) ishlatilishi va elektroforetik choʻktirishdan oldingi ultratovush bilan ishlov berish bosqichi bilan izohlanadi.

EPD usulida qoplangan uglerod tolalarining koʻndalang kesimi va katta kattalashtirishdagi SEM tasvirlari. LFP, CB va PVDF aralashmasi ultratovush yordamida gomogenlashtirildi; bunda UP100H ultratovush qurilmasi ishlatildi. Kattalashtirishlar: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Tadqiqot va rasm: ©Hagberg et al., 2018)

LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katod materialini disperslash:
Vidal et al. (2013) ultratovush bilan ishlov berish, bosim va material tarkibi kabi ishlov berish bosqichlarining LiNi_0.5Mn_1.5O₄ kompozit katodlariga taʼsirini oʻrgandilar.
Musbat kompozit elektrodlar faol material sifatida LiNi_0.5 Mn_1.5O4 shpineli, elektrodning elektr oʻtkazuvchanligini oshirish uchun grafit va uglerod qurumi aralashmasi hamda elektrodni shakllantirish uchun poliviniliden ftorid (PVDF) yoki PVDF ning oz miqdordagi Teflon® (1 wt%) bilan aralashmasidan iborat boʻlgan. Ular rakel pichogʻi usulidan foydalanib, tok yigʻgich sifatidagi alyuminiy folgaga lenta quyish yoʻli bilan tayyorlangan. Bundan tashqari, tarkibiy qismlar aralashmalari ultratovush bilan ishlangan yoki ishlanmagan, tayyorlangan elektrodlar esa keyingi sovuq presslashda zichlangan yoki zichlanmagan. Ikki tarkib sinovdan oʻtkazilgan:
A-tarkib (Teflon®siz): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% uglerod qurumi; 2,5 wt% grafit; 12 wt% PVDF
B-tarkib (Teflon® bilan): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% uglerod qurumi; 2,5 wt% grafit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Har ikkala holatda ham tarkibiy qismlar N-metilpirrolidinonda (NMP) aralashtirilgan va disperslangan. LiNi_0.5 Mn_1.5O4 shpineli (2g) oldindan belgilangan yuqoridagi foizlarda olingan boshqa tarkibiy qismlar bilan birga 11 ml NMP da disperslangan. Ayrim holatlarda aralashma 25 min davomida ultratovush bilan ishlangan va keyin xona haroratida 48 h davomida aralashtirilgan. Boshqa ayrim holatlarda aralashma faqat xona haroratida 48 h davomida aralashtirilgan, yaʼni hech qanday ultratovush bilan ishlov berilmagan. Ultratovush bilan ishlov berish elektrod tarkibiy qismlarining bir jinsli disperslanishini yaxshilaydi va olingan LNMS-elektrod bir tekisroq koʻrinadi.
Ogʻirligi yuqori, 17mg/cm2 gacha boʻlgan kompozit elektrodlar tayyorlangan va litiy-ion batareyalar uchun musbat elektrodlar sifatida oʻrganilgan. Teflon® qoʻshilishi va ultratovush bilan ishlov berish alyuminiy folgaga yaxshi yopishgan, bir tekis elektrodlar hosil boʻlishiga olib keladi. Har ikkala parametr ham yuqori tezliklarda (5C) olinadigan sigʻimni yaxshilashga yordam beradi. Elektrod/alyuminiy yigʻmalarini qoʻshimcha zichlash elektrodning yuqori tezliklarda ishlash qobiliyatini sezilarli darajada oshiradi. 5C tezlikda sigʻimning 80% dan 90% gacha boʻlgan sezilarli saqlanishi ogʻirligi 3–17mg/cm² oraligʻida boʻlgan, tarkibida Teflon® mavjud, tarkibiy qismlari aralashmalariga ultratovush bilan ishlov berilgandan keyin tayyorlangan va 2 tonnes/cm² bosimda zichlangan elektrodlarda kuzatiladi.
Xulosa qilib aytganda, tarkibida 1 wt% Teflon® boʻlgan, tarkibiy qismlari aralashmalariga ultratovush bilan ishlov berilgan, 2 tonnes/cm2 da zichlangan va ogʻirligi 2,7–17 mg/cm2 oraligʻida boʻlgan elektrodlar yuqori tezliklarda ishlashning ajoyib qobiliyatini koʻrsatdi. Hatto 5C yuqori tokda ham ushbu elektrodlarning barchasida normallashtirilgan zaryadsizlanish sigʻimi 80% dan 90% gacha boʻlgan. (qarang: Vidal et al., 2013)

Batareya ishlab chiqarish uchun yuqori samarali ultratovushli disperslagichlar

Hielscher Ultrasonics litiy-ion batareyalar (LIB), natriy-ion batareyalar (NIB) va boshqa batareya elementlarida foydalanish uchun katod, anod va elektrolit materiallariga ishlov berishda qoʻllaniladigan yuqori quvvatli, yuqori samarali ultratovush uskunalarini loyihalaydi, ishlab chiqaradi va yetkazib beradi. Hielscher ultratovush tizimlari nanokompozitlarni sintez qilish, nanozarrachalarni funksionallashtirish va nanomateriallarni bir jinsli, barqaror suspenziyalarda disperslash uchun ishlatiladi.
Laboratoriya miqyosidan to toʻliq sanoat miqyosigacha boʻlgan ultratovushli ishlov berish qurilmalari qatorini taklif etuvchi Hielscher yuqori samarali ultratovushli disperslagichlar bozorida yetakchidir. Nanomateriallar sintezi va oʻlchamlarini kichraytirish sohasida 30 yildan ortiq ishlayotgan Hielscher Ultrasonics nanozarrachalarga ultratovush yordamida ishlov berishda katta tajribaga ega va bozordagi eng quvvatli hamda eng ishonchli ultratovushli ishlov berish qurilmalarini taklif etadi. Germaniya muhandisligi eng zamonaviy texnologiya va mustahkam sifatni taʼminlaydi.
Ilgʻor texnologiya, yuqori samaradorlik va mukammal dasturiy taʼminot Hielscher ultratovush qurilmalarini elektrod ishlab chiqarish jarayoningizdagi ishonchli asosiy ishchi uskunalarga aylantiradi. Barcha ultratovush tizimlari Germaniyaning Teltow shahridagi bosh qarorgohda ishlab chiqariladi, sifat va mustahkamlik boʻyicha sinovdan oʻtkaziladi va keyin Germaniyadan butun dunyoga yetkazib beriladi.
Hielscher ultratovush qurilmalarining mukammal apparat qismi va aqlli dasturiy taʼminoti ishonchli ishlash, takrorlanuvchan natijalar hamda foydalanish qulayligini kafolatlash uchun ishlab chiqilgan. Hielscher ultratovush qurilmalari mustahkam va barqaror ishlash koʻrsatkichlariga ega boʻlib, ularni talabchan muhitlarga oʻrnatish va ogʻir ish sharoitlarida ishlatish imkonini beradi. Ish sozlamalariga tushunarli menyu orqali osongina kirish va ularni tanlash mumkin; menyuga raqamli rangli sensorli displey hamda brauzer orqali masofadan boshqarish yordamida kiriladi. Shu sababli sof energiya, umumiy energiya, amplituda, vaqt, bosim va harorat kabi barcha ishlov berish sharoitlari oʻrnatilgan SD-kartaga avtomatik ravishda yozib boriladi. Bu oldingi ultratovush bilan ishlov berish seanslarini koʻrib chiqish va taqqoslash hamda nanomateriallar va kompozitlarning sintezi, funksionallashtirilishi va disperslanishini eng yuqori samaradorlikka erishish uchun optimallashtirish imkonini beradi.
Hielscher Ultrasonics tizimlari butun dunyoda nanomateriallarning sonokimyoviy sintezi uchun ishlatiladi va nanozarrachalarni barqaror kolloid suspenziyalarda disperslashda ishonchli ekanligi isbotlangan. Hielscher sanoat ultratovush qurilmalari yuqori amplitudalarda uzluksiz ishlay oladi va 24/7 ishlash uchun yaratilgan. Standart sonotrodlar (ultratovush zondlari / shoxlari) bilan 200µm gacha boʻlgan amplitudalarni osongina uzluksiz hosil qilish mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovushli sonotrodlar mavjud.
Sonokimyoviy sintez, funksionallashtirish, nanostrukturalash va aglomeratlarni parchalash uchun Hielscher ultratovushli ishlov berish qurilmalari allaqachon butun dunyoda tijorat miqyosida oʻrnatilgan. Batareya ishlab chiqarishda nanomateriallar ishtirok etadigan jarayon bosqichingizni muhokama qilish uchun hoziroq biz bilan bogʻlaning! Tajribali xodimlarimiz ustun disperslash natijalari, yuqori samarali ultratovush tizimlari va narxlar haqida batafsil maʼlumot berishdan mamnun boʻladilar!
Ultratovush bilan ishlov berish afzalligi tufayli ilgʻor elektrod va elektrolit ishlab chiqarishingiz boshqa elektrod ishlab chiqaruvchilarnikiga nisbatan samaradorlik, soddalik va kam xarajat jihatidan ustun boʻladi!

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi: