Tổng hợp Sonochemical của vật liệu điện cực để sản xuất pin

Trong sản xuất tế bào pin hiệu suất cao, vật liệu cấu trúc nano và vật liệu nanocomposite đóng vai trò quan trọng cung cấp độ dẫn điện vượt trội, mật độ lưu trữ cao hơn, dung lượng và độ tin cậy cao. Để đạt được đầy đủ các chức năng của vật liệu nano, các hạt nano phải được phân tán hoặc tẩy tế bào chết riêng lẻ và có thể cần các bước xử lý tiếp theo như chức năng hóa. Xử lý nano siêu âm là kỹ thuật vượt trội, hiệu quả và đáng tin cậy để sản xuất vật liệu nano hiệu suất cao và vật liệu nanocomposite để sản xuất pin tiên tiến.

Siêu âm phân tán các vật liệu hoạt động điện hóa trong bùn điện cực

Vật liệu nano được sử dụng làm vật liệu điện cực sáng tạo, dẫn đến hiệu suất được nâng cao đáng kể của pin sạc. Khắc phục sự kết tụ, kết tụ và tách pha là rất quan trọng đối với việc chuẩn bị bùn để sản xuất điện cực, đặc biệt là khi có liên quan đến vật liệu có kích thước nano. Vật liệu nano làm tăng diện tích bề mặt hoạt động của các điện cực pin, cho phép chúng hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong chu kỳ sạc và tăng khả năng lưu trữ năng lượng tổng thể của chúng. Để có được lợi thế đầy đủ của vật liệu nano, các hạt có cấu trúc nano này phải được gỡ rối và phân phối dưới dạng các hạt riêng biệt trong bùn điện cực. Công nghệ phân tán siêu âm cung cấp các lực cắt cao (sonomechnical) tập trung cũng như năng lượng sonochemical, dẫn đến sự pha trộn mức nguyên tử và phức tạp của các vật liệu có kích thước nano.
Các hạt nano như graphene, ống nano carbon (CNT), kim loại và khoáng chất đất hiếm phải được phân tán đồng đều thành bùn ổn định để thu được vật liệu điện cực có chức năng cao.
Ví dụ, graphene và CNT nổi tiếng để tăng cường hiệu suất của tế bào pin, nhưng sự kết tụ hạt phải được khắc phục. Điều này có nghĩa là, một kỹ thuật phân tán hiệu suất cao, có khả năng xử lý vật liệu nano và có thể có độ nhớt cao, là hoàn toàn cần thiết. Ultrasonicators loại thăm dò là phương pháp phân tán hiệu suất cao, có thể xử lý vật liệu nano ngay cả ở tải rắn cao đáng tin cậy và hiệu quả.

Tại sao Sonication là kỹ thuật vượt trội để xử lý vật liệu nano?

Khi các kỹ thuật phân tán và trộn khác như máy trộn cắt cao, máy nghiền hạt hoặc đồng nhất áp suất cao đến giới hạn của chúng, siêu âm là phương pháp nổi bật để xử lý hạt micron và nano.
Siêu âm công suất cao và cavitation âm thanh được tạo ra bằng siêu âm cung cấp các điều kiện năng lượng độc đáo và mật độ năng lượng cực đoan cho phép deagglomerate hoặc tẩy tế bào chết vật liệu nano, để chức năng hóa chúng, tổng hợp cấu trúc nano trong các quá trình từ dưới lên và để chuẩn bị nanocomposite hiệu suất cao.
Kể từ khi ultrasonicators 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), điều kiện xử lý có thể được điều chỉnh riêng để cài đặt tối ưu cho từng vật liệu và quá trình. Do đó, máy phân tán siêu âm rất linh hoạt và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng ví dụ, phân tán CNT, tẩy da chết graphene, tổng hợp sonochemical của các hạt vỏ lõi hoặc chức năng hóa các hạt nano silicon.

Kính hiển vi SEM của Na0,44MnO2 được điều chế bằng sonochemical bằng cách nung ở 900 ° C trong 2 giờ.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Shinde et al., 2019)

Tìm hiểu thêm về Hielscher ultrasonicators công nghiệp để xử lý vật liệu nano trong sản xuất pin!

Dưới đây bạn có thể tìm thấy các ứng dụng ultrasonically khác nhau của chế biến vật liệu nano:

Tổng hợp siêu âm của Nanocomposite

Tổng hợp siêu âm graphene-SnO₂ nanocomposite: Nhóm nghiên cứu của Deosakar et al. (2013) đã phát triển một tuyến đường hỗ trợ siêu âm để điều chế một hỗn hợp nano graphene-SnO2. Họ đã điều tra các hiệu ứng xâm thực được tạo ra bởi siêu âm công suất cao trong quá trình tổng hợp hỗn hợp graphene-SnO2. Đối với sonication, họ đã sử dụng một thiết bị siêu âm Hielscher. Kết quả chứng minh một siêu âm cải thiện tải tốt và đồng đều của SnO₂ trên các tấm nano graphene bằng phản ứng oxy hóa-khử giữa graphene oxide và SnCl₂·2H₂O so với các phương pháp tổng hợp thông thường.

Biểu đồ thể hiện quá trình hình thành graphene oxide và SnO₂–graphene nanocomposite.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Deosakar et al., 2013)

SnO₂–graphene nanocomposite đã được điều chế thành công thông qua một con đường tổng hợp hóa học dựa trên dung dịch hỗ trợ siêu âm mới và hiệu quả và graphene oxide đã được giảm bởi SnCl₂ đến các tấm graphene với sự có mặt của HCl. Phân tích TEM cho thấy tải trọng đồng đều và tốt của SnO₂ trong tấm nano graphene. Các hiệu ứng cavitational được tạo ra do việc sử dụng chiếu xạ siêu âm đã được chứng minh là tăng cường tải SnO2 mịn và đồng đều trên các tấm nano graphene trong phản ứng oxy hóa-khử giữa graphene oxide và SnCl₂·2H₂O. Tải trọng mịn và đồng đều tăng cường của các hạt nano SnO2 (3-5 nm) trên các tấm nano graphene giảm là do sự tạo mầm tăng cường và chuyển chất tan do hiệu ứng xâm thực gây ra bởi chiếu xạ siêu âm. Tải SnO tốt và đồng đều₂ Các hạt nano trên tấm nano graphene cũng đã được xác nhận từ phân tích TEM. Ứng dụng của SnO tổng hợp₂–graphene nanocomposite làm vật liệu cực dương trong pin lithium ion được chứng minh. Công suất của SnO₂–Pin Li dựa trên graphene nanocomposite ổn định trong khoảng 120 chu kỳ và pin có thể lặp lại phản ứng sạc-xả ổn định. (Deosakar và cộng sự, 2013)

Hình ảnh TEM của SnO₂–graphene nano-composite được điều chế bằng phương pháp sonochemical. Thanh cho biết tại (A) 10nm, tại (B) ở 5nm.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Deosakar et al., 2013)

Siêu âm phân tán các hạt nano vào bùn pin

Sự phân tán của các thành phần electode: Waser et al. (2011) đã chuẩn bị các điện cực với lithium iron phosphate (LiFePO₄). Bùn chứa LiFePO4 làm vật liệu hoạt động, carbon đen làm phụ gia dẫn điện, polyvinylidene florua 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 chuẩn bị huyền phù, tất cả các thành phần điện cực được trộn trong NMP với máy khuấy siêu âm (UP200H, siêu âm Hielscher) trong 2 phút ở 200 W và 24 kHz.
Độ dẫn điện thấp và khuếch tán Li-ion chậm dọc theo các kênh một chiều của LiFePO₄ có thể được khắc phục bằng cách nhúng LiFePO₄ trong ma trận dẫn điện, ví dụ: carbon đen. Khi các hạt có kích thước nano và cấu trúc hạt vỏ lõi cải thiện độ dẫn điện, công nghệ phân tán siêu âm và tổng hợp sonochemical của các hạt vỏ lõi cho phép sản xuất vật liệu nanocomposite vượt trội cho các ứng dụng pin.

Sự phân tán của lithium iron phosphate: Nhóm nghiên cứu của Hagberg (Hagberg et al., 2018) đã sử dụng máy siêu âm UP100H cho quy trình điện cực dương cấu trúc bao gồm các sợi carbon phủ lithium iron phosphate (LFP). Các sợi carbon là liên tục, kéo tự đứng hoạt động như các bộ thu hiện tại và sẽ cung cấp độ cứng và sức mạnh cơ học. Để có hiệu suất tối ưu, các sợi được phủ riêng lẻ, ví dụ như sử dụng lắng đọng điện di.
Tỷ lệ trọng lượng khác nhau của hỗn hợp bao gồm LFP, CB và PVDF đã được thử nghiệm. Những hỗn hợp này được phủ lên sợi carbon. Kể từ khi phân phối không đồng nhất trong các chế phẩm tắm lớp phủ có thể khác với các thành phần trong lớp phủ chính nó, khuấy nghiêm ngặt bằng ultrasonication được sử dụng để giảm thiểu sự khác biệt.
Họ lưu ý rằng các hạt được phân tán tương đối tốt trong toàn bộ lớp phủ, được cho là do việc sử dụng chất hoạt động bề mặt (Triton X-100) và bước siêu âm trước khi lắng đọng điện di.

Hình ảnh SEM mặt cắt ngang và độ phóng đại cao của sợi carbon phủ EPD. Hỗn hợp LFP, CB và PVDF được đồng nhất siêu âm bằng cách sử dụng 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)

Sự phân tán của LiNi_0.5Mn_1.5O₄ Vật liệu catốt composite:
Vidal et al. (2013) đã điều tra ảnh hưởng của các bước xử lý như sonication, áp suất và thành phần vật liệu cho LiNi_0.5Mn_1.5O₄catốt composite.
Điện cực composite dương có LiNi_0.5 Mn_1.5O4 spinel làm vật liệu hoạt động, hỗn hợp than chì và carbon đen để tăng độ dẫn điện của điện cực và polyvinyldenefluoride (PVDF) hoặc hỗn hợp PVDF với một lượng nhỏ Teflon® (1 wt%) để xây dựng điện cực. Chúng đã được xử lý bằng cách đúc băng trên một lá nhôm như bộ thu hiện tại bằng kỹ thuật lưỡi bác sĩ. Ngoài ra, các hỗn hợp thành phần có được sonicated hoặc không, và các điện cực được xử lý được nén chặt hoặc không được ép lạnh tiếp theo. Hai công thức đã được thử nghiệm:
Công thức A (không có Teflon®): 78% trọng lượng LiNi_0.5 Mn_1.5O4; 7,5% trọng lượng Carbon đen; 2,5% trọng lượng than chì; 12% trọng lượng PVDF
Công thức B (với Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1.5O4; 7,5% trọng lượng carbon đen; 2,5% trọng lượng than chì; 11% trọng lượng 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 spinel (2g) cùng với các thành phần khác trong tỷ lệ phần trăm đã đề cập đã được thiết lập được phân tán trong 11 ml NMP. Trong một số trường hợp cụ thể, hỗn hợp được sonicated trong 25 phút và sau đó khuấy ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ. Ở một số người khác, hỗn hợp chỉ được khuấy ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, tức là không có bất kỳ sonication nào. Việc xử lý sonication thúc đẩy sự phân tán đồng nhất của các thành phần điện cực và điện cực LNMS thu được trông đồng đều hơn.
Các điện cực vật liệu tổng hợp có trọng lượng cao, lên đến 17mg / cm2, đã được chuẩn bị và nghiên cứu làm điện cực dương cho pin lithium-ion. Việc bổ sung Teflon® và ứng dụng xử lý sonication dẫn đến các điện cực đồng nhất được bám dính tốt vào lá nhôm. Cả hai thông số đều góp phần cải thiện công suất thoát nước ở tốc độ cao (5C). Độ nén bổ sung của các cụm điện cực / nhôm giúp tăng cường đáng kể khả năng tốc độ điện cực. Ở tốc độ 5C, khả năng duy trì công suất đáng chú ý từ 80% đến 90% được tìm thấy đối với các điện cực có trọng lượng trong khoảng 3-17mg / cm², có Teflon® trong công thức của họ, được chuẩn bị sau khi sonication hỗn hợp thành phần của chúng và nén dưới 2 tấn / cm².
Tóm lại, các điện cực có 1 wt% Teflon® trong công thức của chúng, hỗn hợp thành phần của chúng được xử lý sonication, nén ở mức 2 tấn / cm2 và với trọng lượng trong khoảng 2,7-17 mg / cm2 cho thấy khả năng tỷ lệ đáng chú ý. Ngay cả ở dòng điện cao 5C, công suất phóng điện bình thường là từ 80% đến 90% cho tất cả các điện cực này. (xem Vidal và cộng sự, 2013)

Bộ phân tán siêu âm hiệu suất cao để sản xuất pin

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối thiết bị siêu âm công suất cao, hiệu suất cao, được sử dụng để xử lý cực âm, cực dương và vật liệu điện phân để sử dụng trong pin lithium-ion (LIB), pin natri-ion (NIB) và các tế bào pin khác. Hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng tổng hợp vật liệu nanocomposite, chức năng hóa các hạt nano và phân tán vật liệu nano thành huyền phù đồng nhất, ổn định.
Cung cấp một danh mục đầu tư từ phòng thí nghiệm đến bộ vi xử lý siêu âm quy mô công nghiệp đầy đủ, Hielscher là công ty dẫn đầu thị trường cho máy phân tán siêu âm hiệu suất cao. Làm việc từ hơn 30 năm trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu nano và giảm kích thước, Hielscher Ultrasonics có nhiều kinh nghiệm trong xử lý hạt nano siêu âm và cung cấp bộ vi xử lý siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy nhất trên thị trường. Kỹ thuật Đức cung cấp công nghệ tiên tiến và chất lượng mạnh mẽ.
Công nghệ tiên tiến, hiệu suất cao và phần mềm tinh vi biến Hielscher ultrasonicators thành ngựa làm việc đáng tin cậy trong quá trình sản xuất điện cực của bạn. Tất cả các hệ thống siêu âm được sản xuất tại trụ sở chính ở Teltow, Đức, được kiểm tra chất lượng và độ bền và sau đó được phân phối từ Đức trên toàn thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của Hielscher ultrasonicators được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả tái tạo cũng như thân thiện với người dùng. Các ultrasonicators Hielscher là mạnh mẽ và nhất quán trong hiệu suất, cho phép cài đặt chúng vào môi trường đòi hỏi khắt khe và vận hành chúng trong điều kiện nhiệm vụ nặng nề. Cài đặt hoạt động có thể dễ dàng truy cập và quay số thông qua menu trực quan, có thể được truy cập thông qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và điều khiển từ xa của trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng ròng, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn sửa đổi và so sánh các lần sonication trước đó và để tối ưu hóa sự tổng hợp, chức năng hóa và phân tán vật liệu nano và vật liệu tổng hợp để đạt hiệu quả cao nhất.
Hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để tổng hợp sonochemical của vật liệu nano và được chứng minh là đáng tin cậy cho sự phân tán của các hạt nano thành huyền phù keo ổn định. Ultrasonicators công nghiệp Hielscher có thể liên tục chạy biên độ cao và được xây dựng cho hoạt động 24/7. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng được tạo ra liên tục với sonotrodes tiêu chuẩn (đầu dò siêu âm / sừng). Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Bộ vi xử lý siêu âm Hielscher cho tổng hợp sonochemical, chức năng hóa, cấu trúc nano và deagglomeration đã được cài đặt trên toàn thế giới trên quy mô thương mại. Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để thảo luận về bước quy trình của bạn liên quan đến vật liệu nano để sản xuất pin! Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm của chúng tôi sẽ sẵn lòng chia sẻ thêm thông tin về kết quả phân tán vượt trội, hệ thống siêu âm hiệu suất cao và giá cả!
Với lợi thế của ultrasonication, sản xuất điện cực và chất điện giải tiên tiến của bạn sẽ vượt trội về hiệu quả, đơn giản và chi phí thấp khi so sánh với các nhà sản xuất điện cực khác!

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: