Tổng hợp vật liệu điện cực bằng hóa siêu âm để sản xuất pin

Trong sản xuất các tế bào pin hiệu năng cao, vật liệu có cấu trúc nano và vật liệu nanocompozit là yếu tố then chốt cho độ dẫn điện vượt trội, mật độ lưu trữ cao hơn, dung lượng cao và độ tin cậy. Để khai thác đầy đủ các chức năng của vật liệu nano, các hạt nano phải được phân tán riêng lẻ hoặc bóc tách lớp và có thể cần thêm các bước xử lý như chức năng hóa. Xử lý nano bằng siêu âm là kỹ thuật vượt trội, hiệu quả và đáng tin cậy để sản xuất vật liệu nano và vật liệu nanocompozit hiệu năng cao phục vụ sản xuất pin tiên tiến.

Phân tán vật liệu hoạt tính điện hóa trong huyền phù điện cực bằng siêu âm

Vật liệu nano được sử dụng làm vật liệu điện cực tiên tiến, giúp nâng cao đáng kể hiệu năng của pin sạc. Khắc phục sự kết tụ, kết tập và tách pha là yếu tố then chốt trong việc chuẩn bị huyền phù để chế tạo điện cực, đặc biệt khi có sử dụng vật liệu kích thước nano. Vật liệu nano làm tăng diện tích bề mặt hoạt tính của điện cực pin, cho phép điện cực hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong các chu kỳ sạc và tăng khả năng lưu trữ năng lượng tổng thể. Để tận dụng đầy đủ lợi ích của vật liệu nano, các hạt có cấu trúc nano này phải được gỡ rối và phân bố thành các hạt riêng biệt trong huyền phù điện cực. Công nghệ phân tán bằng siêu âm cung cấp lực cắt mạnh tập trung (lực cơ học siêu âm) cũng như năng lượng hóa siêu âm, giúp trộn ở cấp độ nguyên tử và tạo phức cho vật liệu kích thước nano.
Các hạt nano như graphen, ống nano cacbon (CNT), kim loại và khoáng vật đất hiếm phải được phân tán đồng đều thành huyền phù ổn định để thu được vật liệu điện cực có tính năng cao.
Ví dụ, graphen và CNT được biết đến rộng rãi về khả năng nâng cao hiệu năng tế bào pin, nhưng phải khắc phục sự kết tụ hạt. Điều này có nghĩa là nhất thiết phải có một kỹ thuật phân tán hiệu năng cao, có khả năng xử lý vật liệu nano và có thể cả các hệ có độ nhớt cao. Thiết bị siêu âm dạng đầu dò là phương pháp phân tán hiệu năng cao, có thể xử lý vật liệu nano một cách đáng tin cậy và hiệu quả ngay cả khi hàm lượng chất rắn cao.

Vì sao xử lý bằng siêu âm là kỹ thuật vượt trội để xử lý vật liệu nano?

Khi các kỹ thuật phân tán và trộn khác như máy trộn lực cắt cao, máy nghiền bi và máy đồng hóa áp suất cao đạt đến giới hạn, xử lý bằng siêu âm là phương pháp nổi bật để xử lý các hạt kích thước micromet và nano.
Siêu âm công suất cao và hiện tượng xâm thực âm do siêu âm tạo ra cung cấp các điều kiện năng lượng độc đáo và mật độ năng lượng cực cao, cho phép phá kết tụ hoặc bóc tách lớp vật liệu nano, chức năng hóa chúng, tổng hợp các cấu trúc nano theo quy trình từ dưới lên và điều chế vật liệu nanocompozit hiệu năng cao.
Do thiết bị siêu âm Hielscher cho phép kiểm soát chính xác các thông số xử lý siêu âm quan trọng nhất như cường độ (Ws/mL), biên độ (µm), nhiệt độ (ºC/ºF) và áp suất (bar), nên có thể điều chỉnh riêng các điều kiện xử lý đến mức tối ưu cho từng vật liệu và quy trình. Nhờ đó, thiết bị phân tán bằng siêu âm có tính linh hoạt cao và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, ví dụ như phân tán CNT, bóc tách lớp graphen, tổng hợp các hạt lõi–vỏ bằng hóa siêu âm hoặc chức năng hóa các hạt nano silic.

Ảnh hiển vi SEM của Na0.44MnO2 được điều chế bằng hóa siêu âm thông qua nung ở 900°C trong 2 h.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Shinde et al., 2019)

Tìm hiểu thêm về các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher dùng để xử lý vật liệu nano trong sản xuất pin!

Dưới đây là các ứng dụng xử lý vật liệu nano khác nhau sử dụng siêu âm:

Tổng hợp nanocompozit bằng siêu âm

Tổng hợp nanocompozit graphen–SnO₂ bằng siêu âm: Nhóm nghiên cứu của Deosakar và cộng sự (2013) đã phát triển một quy trình có hỗ trợ siêu âm để điều chế nanocompozit graphen–SnO2. Họ nghiên cứu các hiệu ứng xâm thực do siêu âm công suất cao tạo ra trong quá trình tổng hợp compozit graphen–SnO2. Để xử lý siêu âm, họ sử dụng một thiết bị của Hielscher Ultrasonics. Kết quả cho thấy siêu âm cải thiện sự phân bố mịn và đồng đều của SnO₂ trên các tấm nano graphen thông qua phản ứng oxi hóa–khử giữa graphen oxit và SnCl₂·2H₂O so với các phương pháp tổng hợp thông thường.

Sơ đồ minh họa quá trình hình thành graphen oxit và nanocompozit SnO₂–graphen.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Deosakar và cộng sự, 2013)

SnO₂–graphen ở dạng nanocompozit đã được điều chế thành công bằng một quy trình tổng hợp hóa học trong dung dịch mới và hiệu quả, có hỗ trợ siêu âm, và graphen oxit đã được khử bằng SnCl₂ thành các tấm graphen khi có mặt HCl. Phân tích TEM cho thấy sự phân bố đồng đều và mịn của SnO₂ trong các tấm nano graphen. Các hiệu ứng xâm thực do chiếu siêu âm tạo ra đã được chứng minh là làm tăng sự phân bố mịn và đồng đều của SnO2 trên các tấm nano graphen trong phản ứng oxi hóa–khử giữa graphen oxit và SnCl₂·2H₂O. Sự gia tăng mức độ phân bố mịn và đồng đều của các hạt nano SnO2 (3–5 nm) trên các tấm nano graphen đã khử được cho là do quá trình tạo mầm và vận chuyển chất tan được tăng cường nhờ hiệu ứng xâm thực do chiếu siêu âm gây ra. Sự phân bố mịn và đồng đều của các hạt nano SnO₂ trên các tấm nano graphen cũng được xác nhận qua phân tích TEM. Ứng dụng của nanocompozit SnO₂–graphen đã tổng hợp làm vật liệu anot trong pin ion liti được minh chứng. Dung lượng của pin Li sử dụng nanocompozit SnO₂–graphen ổn định trong khoảng 120 chu kỳ, và pin có thể lặp lại phản ứng sạc–xả ổn định. (Deosakar và cộng sự, 2013)

Ảnh TEM của nanocompozit SnO₂–graphen được điều chế bằng phương pháp hóa siêu âm. Thanh tỷ lệ biểu thị 10nm ở (A), 5nm ở (B).
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Deosakar và cộng sự, 2013)

Phân tán hạt nano vào huyền phù chế tạo pin bằng siêu âm

Phân tán các thành phần điện cực: Waser và cộng sự (2011) đã chế tạo điện cực bằng liti sắt photphat (LiFePO₄). Huyền phù chứa LiFePO4 làm vật liệu hoạt tính, muội than làm phụ gia dẫn điện, còn polyvinylidene fluoride hòa tan trong N-methylpyrrolidinone (NMP) được sử dụng làm chất kết dính. Tỷ lệ khối lượng (sau khi sấy khô) của AM/CB/PVDF trong các điện cực là 83/8,5/8,5. Để điều chế các huyền phù, tất cả các thành phần điện cực được trộn trong NMP bằng máy khuấy siêu âm (UP200H, Hielscher Ultrasonics) trong 2 min ở 200 W và 24 kHz.
Độ dẫn điện thấp và sự khuếch tán chậm của ion Li dọc theo các kênh một chiều của LiFePO₄ có thể được khắc phục bằng cách đưa LiFePO₄ vào một nền dẫn điện, ví dụ như muội than. Do các hạt kích thước nano và cấu trúc hạt lõi–vỏ cải thiện độ dẫn điện, công nghệ phân tán bằng siêu âm và tổng hợp hạt lõi–vỏ bằng hóa siêu âm cho phép tạo ra các nanocompozit vượt trội cho các ứng dụng pin.

Phân tán liti sắt photphat: Nhóm nghiên cứu của Hagberg (Hagberg và cộng sự, 2018) đã sử dụng thiết bị siêu âm UP100H để chế tạo điện cực dương kết cấu gồm các sợi cacbon được phủ lithi sắt phosphat (LFP). Các sợi cacbon là những bó sợi liên tục, tự đứng vững, đóng vai trò bộ thu dòng và sẽ cung cấp độ cứng cùng độ bền cơ học. Để đạt hiệu suất tối ưu, từng sợi được phủ riêng lẻ, chẳng hạn bằng phương pháp lắng đọng điện di.
Các hỗn hợp gồm LFP, CB và PVDF với các tỷ lệ khối lượng khác nhau đã được thử nghiệm. Những hỗn hợp này được phủ lên các sợi cacbon. Do sự phân bố không đồng nhất trong bể phủ, thành phần của bể phủ có thể khác với thành phần của chính lớp phủ, nên việc khuấy mạnh bằng siêu âm được sử dụng để giảm thiểu sự khác biệt này.
Nhóm nghiên cứu ghi nhận rằng các hạt phân tán tương đối tốt trong toàn bộ lớp phủ, điều này được cho là nhờ sử dụng chất hoạt động bề mặt (Triton X-100) và bước xử lý siêu âm trước khi lắng đọng điện di.

Ảnh SEM mặt cắt ngang và ảnh SEM ở độ phóng đại cao của các sợi cacbon được phủ bằng phương pháp EPD. Hỗn hợp LFP, CB và PVDF được đồng nhất hóa bằng siêu âm bằng máy siêu âm UP100H. Độ phóng đại: a) 0,8kx, b) 0,8kx, c) 1,5kx, d) 30kx.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Hagberg et al., 2018)

Phân tán LiNi_0.5Mn_1.5O₄ làm vật liệu catốt compozit:
Vidal et al. (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của các bước xử lý như xử lý siêu âm, áp suất và thành phần vật liệu đối với catốt compozit LiNi_0.5Mn_1.5O₄.
Các điện cực dương compozit chứa LiNi_0.5 Mn_1.5O4 dạng spinel làm vật liệu hoạt tính, hỗn hợp graphit và muội than để tăng độ dẫn điện của điện cực, cùng với polyvinyliden fluorua (PVDF) hoặc hỗn hợp PVDF với một lượng nhỏ Teflon® (1 wt%) để tạo cấu trúc điện cực. Các điện cực được chế tạo bằng phương pháp đúc băng trên lá nhôm làm bộ thu dòng, sử dụng kỹ thuật gạt dao. Ngoài ra, các hỗn hợp thành phần được xử lý hoặc không xử lý bằng siêu âm, và các điện cực đã chế tạo được nén chặt hoặc không nén chặt bằng bước ép nguội tiếp theo. Hai công thức đã được thử nghiệm:
Công thức A (không có Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5 wt% muội than; 2,5 wt% graphit; 12 wt% PVDF
Công thức B (có Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5wt% muội than; 2,5 wt% graphit; 11 wt% PVDF; 1 wt% Teflon®
Trong cả hai trường hợp, các thành phần được trộn và phân tán trong N-methylpyrrolidinone (NMP). LiNi_0.5 Mn_1.5O4 dạng spinel (2g) cùng với các thành phần khác theo các tỷ lệ phần trăm đã nêu được phân tán trong 11 ml NMP. Trong một số trường hợp cụ thể, hỗn hợp được xử lý siêu âm trong 25 phút rồi khuấy ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ. Trong một số trường hợp khác, hỗn hợp chỉ được khuấy ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, tức là không xử lý siêu âm. Xử lý siêu âm thúc đẩy sự phân tán đồng nhất của các thành phần điện cực và điện cực LNMS thu được có vẻ đồng đều hơn.
Các điện cực compozit có khối lượng trên đơn vị diện tích cao, lên đến 17mg/cm2, đã được chế tạo và nghiên cứu làm điện cực dương cho pin lithi-ion. Việc bổ sung Teflon® và áp dụng xử lý siêu âm tạo ra các điện cực đồng đều, bám dính tốt vào lá nhôm. Cả hai thông số đều góp phần cải thiện dung lượng phóng ở tốc độ cao (5C). Việc nén chặt bổ sung các cụm điện cực/nhôm cải thiện rõ rệt khả năng làm việc ở tốc độ cao của điện cực. Ở tốc độ 5C, ghi nhận mức duy trì dung lượng đáng kể từ 80% đến 90% đối với các điện cực có khối lượng trên đơn vị diện tích trong khoảng 3–17mg/cm², có Teflon® trong công thức, được chế tạo sau khi xử lý siêu âm các hỗn hợp thành phần và được nén chặt dưới áp suất 2 tấn/cm².
Tóm lại, các điện cực có 1 wt% Teflon® trong công thức, có hỗn hợp thành phần được xử lý siêu âm, được nén chặt ở áp suất 2 tấn/cm2 và có khối lượng trên đơn vị diện tích trong khoảng 2,7–17 mg/cm2 cho thấy khả năng làm việc ở tốc độ cao đáng kể. Ngay cả ở dòng điện cao 5C, dung lượng phóng chuẩn hóa vẫn nằm trong khoảng từ 80% đến 90% đối với tất cả các điện cực này. (xem Vidal et al., 2013)

Máy phân tán siêu âm hiệu suất cao cho sản xuất pin

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối thiết bị siêu âm công suất cao, hiệu năng cao, được sử dụng để xử lý vật liệu catốt, anốt và chất điện ly dùng trong pin lithium-ion (LIB), pin natri-ion (NIB) và các loại tế bào pin khác. Các hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng để tổng hợp vật liệu nanocomposite, chức năng hóa hạt nano và phân tán vật liệu nano thành các huyền phù đồng nhất, ổn định.
Với danh mục thiết bị xử lý siêu âm từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp hoàn chỉnh, Hielscher dẫn đầu thị trường về thiết bị phân tán siêu âm hiệu năng cao. Với hơn 30 năm hoạt động trong lĩnh vực tổng hợp và giảm kích thước vật liệu nano, Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm sâu rộng về xử lý hạt nano bằng siêu âm và cung cấp các thiết bị xử lý siêu âm mạnh mẽ nhất và đáng tin cậy nhất trên thị trường. Kỹ thuật Đức mang đến công nghệ tiên tiến nhất và chất lượng bền bỉ.
Công nghệ tiên tiến, hiệu năng cao và phần mềm tinh vi biến các thiết bị siêu âm Hielscher thành những cỗ máy làm việc bền bỉ, đáng tin cậy trong quy trình sản xuất điện cực của bạn. Tất cả các hệ thống siêu âm đều được sản xuất tại trụ sở chính ở Teltow, Đức, được kiểm tra chất lượng và độ bền, sau đó được phân phối từ Đức đến khắp thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm khả năng vận hành đáng tin cậy, kết quả có thể tái lập cũng như tính dễ sử dụng. Các thiết bị siêu âm Hielscher có độ bền cao và hiệu năng ổn định, cho phép lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt và vận hành trong điều kiện làm việc nặng. Các thông số vận hành có thể được truy cập và điều chỉnh dễ dàng thông qua menu trực quan, có thể truy cập qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng thuần, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ đều được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn xem lại và so sánh các lần xử lý siêu âm trước đó, đồng thời tối ưu hóa việc tổng hợp, chức năng hóa và phân tán vật liệu nano và vật liệu composite để đạt hiệu suất cao nhất.
Các hệ thống Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới để tổng hợp vật liệu nano bằng phương pháp hóa siêu âm và đã được chứng minh là đáng tin cậy trong việc phân tán hạt nano thành các huyền phù keo ổn định. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể hoạt động liên tục ở biên độ cao và được chế tạo để vận hành 24/7. Có thể dễ dàng tạo ra liên tục biên độ lên đến 200µm bằng các sonotrode tiêu chuẩn (đầu dò / đầu khuếch đại siêu âm). Đối với biên độ cao hơn nữa, có các sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu.
Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher dùng để tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm, chức năng hóa, tạo cấu trúc nano và phá kết tụ đã được lắp đặt trên toàn thế giới ở quy mô thương mại. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để trao đổi về công đoạn xử lý có sử dụng vật liệu nano trong quy trình sản xuất pin của bạn! Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẵn lòng cung cấp thêm thông tin về kết quả phân tán vượt trội, các hệ thống siêu âm hiệu năng cao và giá cả!
Nhờ ưu thế của công nghệ siêu âm, hoạt động sản xuất điện cực và chất điện ly tiên tiến của bạn sẽ vượt trội về hiệu suất, tính đơn giản và chi phí thấp so với các nhà sản xuất điện cực khác!

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: