Jaké jsou aplikace technologie ultrazvukové atomizace v novém energetickém průmyslu?

Jaké jsou aplikace technologie ultrazvukové atomizace v novém energetickém průmyslu?

Technologie ultrazvukového rozprašování, se svými hlavními výhodami vysoké přesnosti, vysoké stejnoměrnosti, vysokého využití materiálu a bezkontaktního, šetrného procesu, se stává klíčovou silou pohánějící modernizaci nového energetického průmyslu. Tato technologie využívá vysokofrekvenční ultrazvuk k atomizaci kapalin do stejnoměrných kapiček v měřítku mikronů nebo dokonce nanometrů, které jsou následně přesně nanášeny na povrch substrátu pomocí nízkotlakého nosného plynu. Od lithium-iontových baterií po vodíkové palivové články a solární články nové generace, ultrazvukové rozprašování rozprašováním komplexně umožňuje výrobu nové energie.

Princip technologie jádra: Jádrem systému ultrazvukového rozprašování je piezoelektrický měnič. Když je do systému aplikován vysokofrekvenční proud (typicky 20 kHz-120 kHz), snímač generuje vysokofrekvenční mechanické vibrace. Tato vibrace vytváří stojatou vlnu ve filmu kapaliny na trysce, 'rozbíjí' kapalinu na kapičky velikosti mikronů s koncentrovanou distribucí velikosti (průměr kapky obvykle mezi 1-50 μm). Atomizované kapičky jsou směrově transportovány na povrch substrátu nízkorychlostním nosným plynem (jako je dusík nebo suchý vzduch), kde se suší a tuhnou za vzniku hustého a jednotného funkčního povlaku. Na rozdíl od tradičních metod stříkání, které se spoléhají na vysoký tlak nebo mechanickou sílu, tento proces nevyžaduje žádný vysoký tlak nebo silný náraz, takže jde o bezkontaktní přesný proces nanášení.

Hlavní výhody: Technologie ultrazvukového rozprašování vykazuje významné výhody ve více dimenzích při výrobě nové energie:

Vynikající stejnoměrnost povlaku: Distribuce velikosti atomizovaných kapiček je úzká, což má za následek vysokou rovnoměrnost tloušťky povlaku, což účinně zabraňuje defektům obvyklým v tradičních procesech, jako je prověšení, odkapávání a dírky. Ve srovnání s tradičním pneumatickým dvoukapalinovým nástřikem dosahuje ultrazvukové rozprašování lepší rovnoměrnosti, tenčí tloušťky povlaku a vyšší přesnosti.

Extrémně vysoké využití materiálu: Proces atomizace negeneruje téměř žádný odpad s rozstřikováním a dosahuje míry využití materiálu až 85 % až 95 %. U katalyzátorů z drahých kovů, jako je platina a vysoce hodnotné materiály baterií, se tato výhoda přímo promítá do významných úspor nákladů.

Dosažitelné ultratenké povlaky: Ultrazvukové stříkání může snadno vytvářet extrémně tenké (≤10μm nebo dokonce 20nm) a jednotné povlaky. Tloušťka povlaku může být přesná na úrovni nanometrů, což je klíčové pro výrobu elektrod baterií, tenkých fotovoltaických filmů a dalších součástí v novém energetickém průmyslu, které jsou extrémně citlivé na tloušťku povlaku.

Bezkontaktní proces, ochrana substrátů: Nízkorychlostní dodávání kapiček nosného plynu, bez silného nárazu, účinně chrání křehké substráty, jako jsou protonové výměnné membrány, ultratenké elektrody a flexibilní membrány před poškozením.

Zelené a šetrné k životnímu prostředí: Není vyžadován žádný vysokotlaký vzduch, což snižuje odpařování organických rozpouštědel (emise VOC) o 30 % až 50 %, což odpovídá trendu nízkouhlíkové výroby v novém energetickém průmyslu.

Nízké náklady na údržbu: Konstrukce ultrazvukové trysky bez trysek zásadně zabraňuje problémům s ucpáváním tradičních trysek a zkracuje prostoje při čištění.

Klíčové aplikace v oblasti nové energie

I. Výroba lithium-iontových baterií

Technologie ultrazvukového stříkání byla hluboce aplikována v několika fázích výroby lithium-iontových baterií.

1. Příprava elektrody (pozitivní/negativní elektroda)

Elektrodový list se vytvoří rovnoměrným rozprašováním kaše aktivních materiálů (jako je oxid lithný kobaltnatý, fosforečnan lithnoželezitý, ternární s vysokým obsahem niklu, grafit atd.) smíchané s vodivými činidly a pojivy na sběrač proudu z kovové fólie. Ultrazvukovým nástřikem lze dosáhnout ultratenkých a rovnoměrných povlaků elektrod, čímž se zabrání 'efektu hrany' nebo problémům s praskáním, které jsou běžné u tradičních povlaků, a zlepší se konzistence tloušťky elektrody. Vysoce přesné povlaky zvětšují kontaktní plochu mezi elektrodou a elektrolytem, ​​zlepšují účinnost transportu iontů, čímž zvyšují rychlost nabíjení a vybíjení baterie a celkový výkon. Současně je díky dobré rovnoměrnosti povlaku zajištěna konzistence baterie, což účinně snižuje problém zkrácení celkové životnosti způsobené rozdíly ve výkonu jednotlivých článků.

2. Funkční povlak separátoru

Jako 'bezpečnostní bariéra' lithiových baterií musí mít separátor vysokou teplotní odolnost, vysokou propustnost a vynikající iontovou vodivost. Ultrazvukové stříkání může rovnoměrně pokrýt separátory na bázi PP/PE keramickými povlaky (jako jsou nanočástice Al₂O3) nebo polymerními povlaky. Keramický povlak odolává teplotám >200℃, což výrazně zvyšuje tepelnou odolnost separátoru, smáčivost elektrolytu a mechanickou pevnost. Tato technologie může také přesně řídit poréznost povlaku (typicky >40 %) a distribuci velikosti pórů (<1μm), vyvažovat iontovou vodivost a schopnost blokovat dendrity. Vylepšený povlak účinně potlačuje tepelné smrštění separátoru, zabraňuje vnitřním zkratům a zvyšuje bezpečnost baterie.

3. Polovodičové baterie

Ultrazvukové stříkání je zásadní proces pro výrobu klíčových součástí polovodičových baterií. Lze jej použít k nástřiku vrstev pevného elektrolytu (jako je LLZO) k dosažení ultratenkých povlaků bez defektů. Jeho nízkoteplotní zpracování zabraňuje rozkladu materiálu způsobenému vysokoteplotním slinováním, takže je vhodný pro tvorbu filmu pevného elektrolytu citlivého na teplotu. Současně nástřik tlumivé vrstvy na rozhraní elektroda/elektrolyt účinně snižuje impedanci rozhraní a zlepšuje stabilitu celého buněčného cyklu. Ultrazvukové stříkání výrazně snižuje mezifázový odpor a zlepšuje dynamiku lithium-iontového transportu zlepšením mezifázového kontaktu v polovodičových bateriích. 4. Jiné funkční nátěry

Ultrazvukový nástřik lze také použít pro ochranné povlaky na štítky (nástřik polymerních povlaků odolných vůči elektrolytu, jako je PVDF a PTFE na hliníkové a měděné štítky, aby se zabránilo korozi a snížení rychlosti růstu vnitřního odporu), antikorozní povlaky krytu baterie (zlepšující odolnost vůči solnému spreji a vlhkosti), vodivé vrstvy sběrače proudu a nástřik na flexibilní substráty, jako jsou PET/PI články s ultrafialovým pouzdrem.

II. Výroba palivových článků

Sestava membránové elektrody (MEA) je jádrem palivového článku a kvalita jeho výroby přímo určuje hustotu výkonu, stabilitu a životnost článku. Technologie ultrazvukového stříkání hraje klíčovou roli při výrobě palivových článků.

1. Příprava membrány potažené katalyzátorem (CCM).

Ultrazvukové rozprašování rozprašuje kaši katalyzátoru (jako je platino-uhlíkový katalyzátor) na drobné kapičky, které je přesně ukládá na povrch substrátu protonové výměnné membrány (PEM) nebo vrstvy difúze plynu (GDL) za vzniku husté a jednotné vrstvy katalyzátoru. Jednotná distribuce velikosti kapiček zajišťuje vysoce konzistentní distribuci katalyzátoru. Ultrazvukové stříkací systémy mohou produkovat vysoce odolné, jednotné povlaky katalyzátoru na bázi uhlíku během elektrolýzy v palivových článcích a elektrolyzérech s protonovou výměnnou membránou (PEM) (jako je Nafion), aniž by došlo k bobtnání nebo deformaci membrány. Jedinečný systém vakuového ohřevu udržuje membránu pro výměnu protonů dobře fixovanou a napnutou, čímž zabraňuje bobtnání během stříkání.

2. Výrazně lepší využití katalyzátoru z drahých kovů

Technologie ultrazvukového stříkání prokázala, že při výrobě MEA dosahuje extrémně vysoké míry využití platiny, až 90 %. Snížením přestřiku lze ušetřit drahé kaše katalyzátoru a snížit spotřebu materiálu až o 50 %. Nepřetržité ultrazvukové vibrace uvnitř ultrazvukové trysky také rozptylují a rozkládají aglomerované částice suspenze, čímž maximalizují využití funkčních částic. Tato technologie je také vhodná pro nástřik polymerních roztoků, jako jsou PTFE pojiva, na GDL (jako je uhlíkový papír), aby se zvýšila hydrofilita nebo hydrofobicita během elektrolýzy.

3. Gradientní depozice a škálovatelnost více trysek

Prostřednictvím technologie ultrazvukového rozprašování s dvojitou tryskou lze Pt/C katalyzátory a ionomery Nafion nanášet nezávisle, čímž je dosaženo přesné kontroly nad distribucí ionomerů. Stříkací systém vybavený čtyřmi jednotkami ultrazvukových trysek může poskytnout rychlost nástřiku katalyzátoru přibližně 0,8 metru čtverečních za hodinu, což odpovídá roční produkci 120 000 sestav membránových elektrod (MEA) (vypočteno při 250 cm²/elektroda). Ultrazvukový disperzní a napájecí systém může kontinuálně dispergovat a dodávat kaši katalyzátoru 24/7.

4. Palivové články s pevným oxidem (SOFC) a výroba vodíku elektrolýzou vody

Technologie ultrazvukového nástřiku také prokazuje významné výhody při přípravě elektrolytových a elektrodových vrstev v SOFC. Při výrobě vodíku elektrolýzou vody se k povlakování elektrolyzérů vodíku používá ultrazvukové stříkací zařízení. Ultrazvukové stříkání lze použít k rovnoměrnému nanášení materiálů katalyzátoru (jako je platina a iridium) na elektrody ke zlepšení účinnosti elektrolýzy. Tato technologie byla široce používána v klíčových procesech, jako je příprava membránových elektrod palivových článků s protonovou výměnnou membránou, nástřik a přenos katalyzátoru pro výrobu vodíku při elektrolýze vody a nástřik roztoku Nafion v difúzní vrstvě uhlíkového papíru.

III. Výroba solárních článků

Technologie ultrazvukového nástřiku se stává klíčovým prostředkem pro zlepšení účinnosti a snížení nákladů v oblasti solárních článků -35.

1. Perovskitové solární články

Perovskitové solární články jsou považovány za vynikajícího zástupce nové generace levné technologie solárních článků. Zatímco rotační nanášení funguje výborně v laboratoři, je vhodné pouze pro výrobu maloplošných zařízení a nikoli pro velkoplošná zařízení. Technologie ultrazvukového stříkání může rozprášit roztok prekurzoru perovskitu na malé kapičky, čímž se dosáhne rovnoměrného povlaku při nízkých teplotách. Kapičky získané touto metodou mají stejnoměrnou velikost a mají nízkou počáteční kinetickou energii, zabraňují jevu 'rozstřikování' a účinně snižují odpad materiálu, což z ní činí velmi vhodnou technologii pro výrobu velkoplošných tenkých filmů. Současný výzkum ověřil kompatibilitu ultrazvukového nástřiku na různé oblasti a typy substrátů: dosažení účinnosti 18,53 % u maloplošných pevných zařízení a přes 16 % účinnosti zařízení u maloplošných flexibilních perovskitových solárních článků.

2. Tenkovrstvé solární články

Technologie ultrazvukového nástřiku se osvědčila při nanášení různých funkčních povlaků pro tenkovrstvé solární články, včetně antireflexních vrstev, povlaků transparentních vodivých oxidů (TCO), vyrovnávacích vrstev, povlaků PEDOT a aktivních vrstev. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskit a DSC lze po přípravě do roztoků nebo suspenzí nanášet pomocí technologie ultrazvukového mokrého stříkání. Systémy ultrazvukových atomizačních trysek využívající pouze zlomek nákladů na CVD a naprašovací zařízení výrazně snižují náklady na tenkovrstvé solární články a zároveň zajišťují vysokou účinnost konverze článků. Antireflexní vrstvy mohou zlepšit účinnost výroby energie solárních článků o 3 až 4 %.

3. Transparentní vodivé oxidové (TCO) povlaky

Vrstvy TCO se typicky připravují pomocí technologie ultrazvukové rozprašovací pyrolýzy. Mezi stříkatelné materiály patří ITO, ZnO (dopované Ga, Al, In), CdO, SnO₂, uhlíkové nanotrubice, stříbrné nanodrátky a grafen. Ultrazvukové trysky nabízejí významné výhody při nanášení nanomateriálů díky své schopnosti rozptýlit částice v suspenzi během atomizace.

III. Výroba solárních článků

Technologie ultrazvukového nástřiku se stává klíčovou metodou pro zlepšení účinnosti a snížení nákladů v oblasti solárních článků.

1. Perovskitové solární články

Perovskitové solární články jsou považovány za vynikající představitele nízkonákladové technologie solárních článků nové generace. Zatímco rotační nanášení funguje výborně v laboratoři, je vhodné pouze pro výrobu maloplošných zařízení a nikoli pro velkoplošná zařízení. Technologie ultrazvukového stříkání může rozprášit roztoky perovskitových prekurzorů na malé kapičky, čímž se dosáhne jednotného povlaku při nízkých teplotách. Tato metoda produkuje kapičky jednotné velikosti a nízké počáteční kinetické energie, zamezuje 'rozstřikování' a účinně snižuje odpad materiálu, což z ní činí velmi vhodnou technologii pro velkoplošnou výrobu tenkých vrstev. Současný výzkum ověřil kompatibilitu ultrazvukového nástřiku na různé oblasti a typy substrátů: dosažení účinnosti 18,53 % u maloplošných pevných zařízení a přes 16 % účinnosti zařízení u maloplošných flexibilních perovskitových solárních článků.

2. Tenkovrstvé solární články

Technologie ultrazvukového nástřiku se osvědčila při nanášení různých funkčních povlaků pro tenkovrstvé solární články, včetně antireflexních vrstev, povlaků transparentních vodivých oxidů (TCO), vyrovnávacích vrstev, povlaků PEDOT a aktivních vrstev. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskit a DSC lze po přípravě do roztoků nebo suspenzí nanášet pomocí technologie ultrazvukového mokrého stříkání. Systémy ultrazvukových atomizačních trysek využívající pouze zlomek nákladů na CVD a naprašovací zařízení výrazně snižují náklady na tenkovrstvé solární články a zároveň zajišťují vysokou účinnost konverze článků. Antireflexní povlaky mohou zlepšit účinnost výroby energie solárních článků o 3 až 4 %.

3. Transparentní vodivé oxidové (TCO) povlaky

Vrstvy TCO se typicky připravují pomocí technologie ultrazvukové rozprašovací pyrolýzy. Mezi stříkatelné materiály patří ITO, ZnO (dopované Ga, Al, In), CdO, SnO₂, uhlíkové nanotrubice, stříbrné nanodrátky a grafen. Ultrazvukové trysky nabízejí významné výhody při nanášení těchto nanomateriálů díky své schopnosti rozptýlit částice v suspenzi během atomizace.

Stručně řečeno, technologie ultrazvukového rozprašování se díky své vysoké přesnosti, vysoké rovnoměrnosti, vysokému využití materiálu a šetrnosti ke křehkým substrátům stala nepostradatelným klíčovým procesem v nové oblasti výroby energie. Od potahování elektrod a membrán pro lithium-iontové baterie až po precizní přípravu vrstev katalyzátoru pro palivové články, ukládání funkčních vrstev v solárních článcích a nově vznikající oblasti, jako jsou superkondenzátory a elektrolýza vody pro výrobu vodíku, tato technologie komplexně posouvá nový energetický průmysl směrem k vyšší účinnosti, přesnosti a udržitelnosti. Díky nepřetržité technologické iteraci a další optimalizaci nákladů bude ultrazvukové rozprašování hrát ještě důležitější roli v globální energetické transformaci.