Trong sản xuất pin hiệu suất cao, vật liệu cấu trúc nano và nanocomposites đóng một 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 nanocomposites để sản xuất pin tiên tiến.

Phân tán siêu âm của 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 tăng cường đáng kể của pin sạc. Khắc phục sự kết tụ, tổng hợp và tách pha là rất quan trọng cho việc chuẩn bị bùn để sản xuất điện cực, đặc biệt là khi các vật liệu có kích thước nano có liên quan. 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 khử vướng víu và phân phối dưới dạng các hạt riêng biệt trong bùn điện cực. Công nghệ phân tán siêu âm cung cấp lực cắt cao tập trung (sonomechnical) cũng như năng lượng sonochemical, dẫn đến sự pha trộn cấp độ nguyên tử và phức tạp của các vật liệu có kích thước nano.
Các hạt nano như graphene, ống nano carbon (CNTs), kim loại và khoáng chất đất hiếm phải được phân tán đồng đều thành bùn ổn định để có được vật liệu điện cực có chức năng cao.
Ví dụ, graphene và CNTs nổi tiếng để tăng cường hiệu suất 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. Máy siêu âm kiểu đầu dò là phương pháp phân tán hiệu suất cao, có thể xử lý vật liệu nano ngay cả ở tải rắn cao một cách 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, nhà máy hạt hoặc đồng nhất áp suất cao đến giới hạn của chúng, siêu âm là phương pháp nổi bật cho xử lý các 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 khử cacbon hoặc tẩy tế bào chết vật liệu nano, để chức năng hóa chúng, tổng hợp các cấu trúc nano trong các quá trình từ dưới lên và chuẩn bị các nanocomposites hiệu suất cao.
Vì máy 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 (thanh), điều kiện xử lý có thể được điều chỉnh riêng lẻ để cài đặt tối ưu cho từng vật liệu và quy trình. Do đó, bộ phân tán siêu âm rất linh hoạt và có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng ví dụ: phân tán CNT, tẩy tế bào chết graphene, tổng hợp sonochemical của các hạt vỏ lõi hoặc chức năng hóa các hạt nano silicon.

Các micrograph SEM của sonochemical chuẩn bị Na0.44MnO2 bằng cách vôi hóa ở 900 ° C cho 2 h.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Shinde et al., 2019)

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

Dưới đây bạn có thể tìm thấy các ứng dụng siêu âm khác nhau của xử lý vật liệu nano:

Tổng hợp siêu âm của Nanocomposites

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 chuẩn bị một nanocomposite graphene-SnO2. Họ đã điều tra các hiệu ứng cavitational được tạo ra bởi siêu âm công suất cao trong quá trình tổng hợp graphene-SnO2 composite. Đối với sonication, họ đã sử dụng một thiết bị siêu âm Hielscher. Kết quả chứng minh một siêu âm cải thiện tốt và tải thống nhất của SnO₂ trên tấm nano graphene bằng phản ứng oxy hóa-giảm giữa graphene oxide và SnCl₂· Giờ₂O so với các phương pháp tổng hợp thông thường.

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

SnO₂–graphene nanocomposite đã được chuẩn bị thành công thông qua một con đường tổng hợp hóa học dựa trên dung dịch hỗ trợ siêu âm mới và hiệu quả và oxit graphene đã được giảm bởi SnCl₂ để tấm graphene với sự hiện diện của HCl. Phân tích TEM cho thấy tải thống nhất và tốt của SnO₂ trong các 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 tốt và đồng đều của SnO2 trên các tấm nano graphene trong phản ứng oxy hóa-giảm giữa graphene oxide và SnCl₂· Giờ₂O. Việc tăng cường tải các hạt nano SnO2 (3-5 nm) trên các tấm nano graphene giảm được quy cho sự tăng cường hạt nhân và chuyển tan do hiệu ứng cavitational gây ra bởi chiếu xạ siêu âm. Tải tốt và đồng đều của SnO₂ các hạt nano trên tấm nano graphene cũng được xác nhận từ phân tích TEM. Ứng dụng SnO tổng hợp₂–graphene nanocomposite như một vật liệu cực dương trong pin lithium ion được chứng minh. Khả năng của SnO₂Pin Li dựa trên nanocomposite graphene ổn định trong khoảng 120 chu kỳ và pin có thể lặp lại phản ứng xả điện tích ổn định. (Deosakar et al., 2013)

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

Phân tán siêu âm của các hạt nano vào bùn pin

Phân tán các thành phần electode: Waser et al. (2011) đã chuẩn bị các điện cực với lithium sắt phốt phát (LiFePO₄). Bùn chứa LiFePO4 làm vật liệu hoạt động, carbon đen như một chất phụ gia dẫn điện, 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 chuẩn bị hệ thống treo, tất cả các thành phần điện cực được trộn lẫn 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 một ma trận dẫn điện, ví dụ như 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 tạo ra các nanocomposites vượt trội cho các ứng dụng pin.

Sự phân tán của lithium sắt phốt phát: Nhóm nghiên cứu của Hagberg (Hagberg et al., 2018) đã sử dụng ultrasonicator UP100H đối với quy trình điện cực dương cấu trúc bao gồm sợi carbon phủ lithium sắt 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.
Các 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. Vì phân bố không phân bố trong các thành phần tắm phủ có thể khác với thành phần trong lớp phủ, khuấy nghiêm ngặt bằng siêu âm được sử dụng để giảm thiểu sự khác biệt.
Họ lưu ý rằng các hạt được phân tán tương đối tốt trong lớp phủ được cho là do sử dụng chất hoạt động bề mặt (Triton X-100) và bước siêu âm trước khi lắng đọng điện.

Hình ảnh SEM mặt cắt ngang và phóng đại cao của sợi carbon phủ EPD. Hỗn hợp của LFP, CB và PVDF đã được đồng nhất về mặt siêu âm bằng cách sử dụng ultrasonicator 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_1,5các₄ vật liệu cathode 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_1,5các₄cathodes composite.
Điện cực composite dương tính có LiNi_0.5 Mn_1,5O4 spinel làm vật liệu hoạt động, sự pha trộn của graphite và carbon đen để tăng độ dẫn 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 sưu tập hiện tại bằng cách sử dụng kỹ thuật lưỡi dao của bác sĩ. Ngoài ra, các hỗn hợp thành phần có được sonicated hay không, và các điện cực được xử lý đã được nén hoặc không dưới ép lạnh tiếp theo. Hai công thức đã được thử nghiệm:
A-Formulation (không có Teflon®): 78 wt% LiNi_0.5 Mn_1,5O4; 7,5 wt% Carbon đen; Than chì 2,5 wt%; 12 wt% PVDF
Công thức B (với Teflon®): 78wt% LiNi0_0.5Mn_1,5O4; 7,5wt% Carbon đen; Than chì 2,5 wt%; 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 spinel (2g) cùng với các thành phần khác trong tỷ lệ phần trăm được đề cập đã được thiết lập đã 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 nơi khác, hỗn hợp chỉ được khuấy ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, tức là không có bất kỳ âm thanh nào. Việc điều trị 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 composite có trọng lượng cao, lên tới 17mg/cm2, được điều chế và nghiên cứu như các điện cực dương cho pin lithium-ion. Việc bổ sung Teflon® và áp dụng xử lý sonication dẫn đến các điện cực đồng nhất được tuân thủ tốt với lá nhôm. Cả hai thông số này đều góp phần cải thiện công suất thoát nước ở mức cao (5C). Sự nén chặt bổ sung của các cụm điện cực / nhôm tăng cường đáng kể khả năng tốc độ điện cực. Ở tốc độ 5 độ C, duy trì công suất đáng chú ý từ 80% đến 90% được tìm thấy cho các điện cực có trọng lượng trong khoảng 3-17mg / cm², có Teflon® trong công thức của họ, chuẩn bị sau khi sonication của hỗn hợp thành phần của họ và nén dưới 2 tấn / cm².
Tóm lại, các điện cực có Teflon® 1 wt% trong công thức của chúng, sự pha trộn thành phần của chúng phải chịu xử lý âm thanh, nén ở mức 2 tấn / cm2 và với trọng lượng trong khoảng 2,7-17 mg / cm2 cho thấy khả năng tốc độ đáng chú ý. Ngay cả ở dòng điện cao 5C, công suất xả bình thường là từ 80% đến 90% cho tất cả các điện cực này. (xem Vidal et al., 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 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 các nanocomposites, chức năng hóa các hạt nano và phân tán vật liệu nano thành hệ thống treo đồng nhất, ổn định.
Cung cấp một danh mục đầu tư từ phòng thí nghiệm đến bộ xử lý siêu âm quy mô công nghiệp hoàn toàn, Hielscher là công ty dẫn đầu thị trường về 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 các bộ 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 máy siêu âm Hielscher thành những con 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 mạnh mẽ và sau đó được phân phối từ Đức trên toàn thế giới.
Phần cứng tinh vi và phần mềm thông minh của máy siêu âm Hielscher được thiết kế để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, kết quả có thể tái tạo cũng như thân thiện với người dùng. Các máy siêu âm Hielscher mạnh mẽ và nhất quán về 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 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 tối ưu hóa quá trình tổng hợp, chức năng và phân tán vật liệu nano và vật liệu tổng hợp để có hiệu quả cao nhất.
Hệ thống siêu âm Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để tổng hợp siêu hóa học của vật liệu nano và được chứng minh là đáng tin cậy cho sự phân tán của các hạt nano thành hệ thống treo keo ổn định. Máy siêu âm công nghiệp Hielscher có thể liên tục chạy biên độ cao và được chế tạo cho hoạt động 24/7. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng tạo ra liên tục với các sonotrodes tiêu chuẩn (đầu dò siêu âm / sừng). Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.
Bộ xử lý siêu âm Hielscher để tổng hợp sonochemical, chức năng, cấu trúc nano và khử kết bộ 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 rất vui khi 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 siêu âm, sản xuất điện cực và điện phân 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 cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: