Quelles sont les applications de la technologie d’atomisation par ultrasons dans l’industrie des nouvelles énergies ?

Quelles sont les applications de la technologie d’atomisation par ultrasons dans la nouvelle industrie énergétique ?

La technologie de pulvérisation par atomisation ultrasonique, avec ses principaux avantages de haute précision, d'uniformité élevée, d'utilisation élevée des matériaux et de processus doux et sans contact, est en train de devenir une force clé dans la modernisation de la nouvelle industrie énergétique. Cette technologie utilise des ultrasons à haute fréquence pour atomiser les liquides en gouttelettes uniformes à l’échelle micronique, voire nanométrique, qui sont ensuite déposées avec précision sur la surface du substrat à l’aide d’un gaz porteur à basse pression. Des batteries lithium-ion aux piles à combustible à hydrogène, en passant par les cellules solaires de nouvelle génération, la pulvérisation par atomisation ultrasonique permet une production globale de nouvelles énergies.

Principe technologique de base : Le cœur du système de pulvérisation par atomisation ultrasonique est le transducteur piézoélectrique. Lorsqu'un courant haute fréquence (généralement 20 kHz-120 kHz) est appliqué au système, le transducteur génère des vibrations mécaniques haute fréquence. Cette vibration forme une onde stationnaire dans le film liquide au niveau de la buse, « cassant » le liquide en gouttelettes de taille micronique avec une distribution de taille concentrée (diamètre des gouttelettes généralement compris entre 1 et 50 μm). Les gouttelettes atomisées sont transportées de manière directionnelle vers la surface du substrat par un gaz porteur à faible vitesse (tel que l'azote ou l'air sec), où elles sèchent et se solidifient pour former un revêtement fonctionnel dense et uniforme. Contrairement aux méthodes de pulvérisation traditionnelles qui reposent sur une pression élevée ou une force mécanique, ce processus ne nécessite aucune pression élevée ni impact important, ce qui en fait un processus de revêtement de précision sans contact.

Avantages principaux : La technologie de pulvérisation par atomisation ultrasonique présente des avantages significatifs dans de multiples dimensions dans la fabrication de nouvelles énergies :

Excellente uniformité du revêtement : la distribution de la taille des gouttelettes atomisées est étroite, ce qui entraîne une uniformité élevée de l'épaisseur du revêtement, évitant ainsi les défauts courants dans les processus traditionnels tels que l'affaissement, les gouttes et les trous d'épingle. Par rapport à la pulvérisation pneumatique traditionnelle à deux fluides, la pulvérisation par atomisation ultrasonique permet d'obtenir une meilleure uniformité, une épaisseur de revêtement plus fine et une plus grande précision.

Utilisation extrêmement élevée des matériaux : le processus d'atomisation ne génère presque aucune éclaboussure, atteignant un taux d'utilisation des matériaux aussi élevé que 85 % à 95 %. Pour les catalyseurs en métaux précieux tels que le platine et les matériaux de batterie de grande valeur, cet avantage se traduit directement par des économies de coûts significatives.

Revêtements ultra-fins réalisables : la pulvérisation par ultrasons peut facilement produire des revêtements extrêmement fins (≤ 10 μm ou même 20 nm) et uniformes. L'épaisseur du revêtement peut être précise au niveau nanométrique, ce qui est crucial pour la production d'électrodes de batterie, de films minces photovoltaïques et d'autres composants de la nouvelle industrie énergétique qui sont extrêmement sensibles à l'épaisseur du revêtement.

Processus sans contact, protégeant les substrats : l'administration de gouttelettes par gaz vecteur à faible vitesse, sans impact important, protège efficacement les substrats fragiles tels que les membranes échangeuses de protons, les électrodes ultra-minces et les diaphragmes flexibles contre les dommages.

Vert et respectueux de l'environnement : aucun air à haute pression n'est requis, ce qui réduit l'évaporation des solvants organiques (émissions de COV) de 30 à 50 %, s'alignant ainsi sur la tendance de fabrication à faible émission de carbone dans le nouveau secteur énergétique.

Faibles coûts de maintenance : La conception sans buse de la buse à ultrasons évite fondamentalement les problèmes de colmatage des buses traditionnelles, réduisant ainsi les temps d'arrêt pour le nettoyage.

Applications principales dans le domaine des nouvelles énergies

I. Fabrication de batteries lithium-ion

La technologie de pulvérisation par ultrasons a été largement appliquée à plusieurs étapes de la fabrication des batteries lithium-ion.

1. Préparation des électrodes (électrode positive/négative)

Une feuille d'électrode est formée par pulvérisation uniforme d'une suspension de matériaux actifs (tels que de l'oxyde de lithium-cobalt, du phosphate de fer et de lithium, un ternaire à haute teneur en nickel, du graphite, etc.) mélangés à des agents conducteurs et des liants sur un collecteur de courant en feuille métallique. La pulvérisation ultrasonique peut obtenir des revêtements d'électrodes ultra-fins et uniformes, évitant ainsi « l'effet de bord » ou les problèmes de fissuration courants dans les revêtements traditionnels et améliorant la cohérence de l'épaisseur de l'électrode. Les revêtements de haute précision augmentent la zone de contact entre l'électrode et l'électrolyte, améliorant ainsi l'efficacité du transport des ions, augmentant ainsi la vitesse de charge et de décharge ainsi que les performances globales de la batterie. Simultanément, grâce à la bonne uniformité du revêtement, la cohérence de la batterie est assurée, réduisant ainsi efficacement le problème de la durée de vie globale raccourcie causée par les différences de performances des cellules individuelles.

2. Revêtement fonctionnel du séparateur

En tant que « barrière de sécurité » des batteries au lithium, le séparateur doit posséder une résistance à haute température, une perméabilité élevée et une excellente conductivité ionique. La pulvérisation par ultrasons peut recouvrir uniformément les séparateurs à base de PP/PE de revêtements céramiques (tels que des nanoparticules Al₂O₃) ou de revêtements polymères. Le revêtement céramique peut résister à des températures >200℃, améliorant considérablement la résistance thermique, la mouillabilité de l'électrolyte et la résistance mécanique du séparateur. Cette technologie peut également contrôler avec précision la porosité du revêtement (généralement >40 %) et la distribution de la taille des pores (<1 μm), équilibrant ainsi la conductivité ionique et la capacité de blocage des dendrites. Le revêtement amélioré supprime efficacement le retrait thermique du séparateur, empêchant ainsi les courts-circuits internes et améliorant la sécurité de la batterie.

3. Piles à semi-conducteurs

La pulvérisation par ultrasons est un processus crucial pour fabriquer les composants clés des batteries à semi-conducteurs. Il peut être utilisé pour pulvériser des couches d'électrolytes solides (telles que LLZO) afin d'obtenir des revêtements ultra-fins et sans défauts. Son traitement à basse température évite la décomposition du matériau provoquée par le frittage à haute température, ce qui le rend adapté à la formation de films d'électrolyte solide sensibles à la température. Simultanément, la pulvérisation d’une couche tampon à l’interface électrode/électrolyte réduit efficacement l’impédance interfaciale et améliore la stabilité du cycle cellulaire complet. La pulvérisation ultrasonique réduit considérablement la résistance interfaciale et améliore la dynamique de transport du lithium-ion en améliorant le contact interfacial dans les batteries à semi-conducteurs. 4. Autres revêtements fonctionnels

La pulvérisation par ultrasons peut également être utilisée pour les revêtements de protection des languettes (pulvérisation de revêtements polymères résistants aux électrolytes tels que le PVDF et le PTFE sur les languettes en aluminium et en cuivre pour empêcher la corrosion et réduire le taux de croissance de la résistance interne), les revêtements anticorrosion des boîtiers de batterie (améliorant la résistance au brouillard salin et à la chaleur humide), les couches conductrices de collecteurs de courant et la pulvérisation sur des substrats flexibles tels que le PET/PI, adaptés aux cellules en poche et à la fabrication de cellules ultra-minces.

II. Fabrication de piles à combustible

L'assemblage membrane-électrode (MEA) est le cœur d'une pile à combustible et sa qualité de fabrication détermine directement la densité de puissance, la stabilité et la durée de vie de la cellule. La technologie de pulvérisation par ultrasons joue un rôle crucial dans la fabrication des piles à combustible.

1. Préparation de la membrane recouverte de catalyseur (CCM)

La pulvérisation ultrasonique atomise la suspension de catalyseur (telle qu'un catalyseur platine-carbone) en minuscules gouttelettes, les déposant avec précision sur la surface d'une membrane échangeuse de protons (PEM) ou d'un substrat de couche de diffusion gazeuse (GDL) pour former une couche de catalyseur dense et uniforme. La distribution uniforme de la taille des gouttelettes garantit une distribution très cohérente du catalyseur. Les systèmes de pulvérisation par ultrasons peuvent produire des revêtements catalytiques à base de carbone uniformes et très durables pendant l'électrolyse dans les piles à combustible et les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) (tels que le Nafion) sans provoquer de gonflement ou de déformation de la membrane. Un système de chauffage sous vide unique maintient la membrane échangeuse de protons bien fixée et étirée, empêchant ainsi le gonflement pendant la pulvérisation.

2. Utilisation considérablement améliorée des catalyseurs de métaux précieux

La technologie de pulvérisation par ultrasons s'est avérée permettre d'atteindre des taux d'utilisation du platine extrêmement élevés, jusqu'à 90 %, dans la fabrication des MEA. En réduisant la pulvérisation excessive, des boues de catalyseur coûteuses peuvent être économisées, réduisant ainsi la consommation de matériaux jusqu'à 50 %. Les vibrations ultrasoniques continues à l'intérieur de la buse ultrasonique dispersent et décomposent également les particules de suspension agglomérées, maximisant ainsi l'utilisation des particules fonctionnelles. Cette technologie convient également à la pulvérisation de solutions polymères telles que des liants PTFE sur des GDL (tels que du papier carbone) afin d'améliorer le caractère hydrophile ou hydrophobe pendant l'électrolyse.

3. Dépôt de gradient et évolutivité multi-buses

Grâce à la technologie de pulvérisation ultrasonique à double buse, les catalyseurs Pt/C et les ionomères Nafion peuvent être déposés indépendamment, permettant ainsi un contrôle précis de la distribution des ionomères. Un système de pulvérisation équipé de quatre unités de buses à ultrasons peut fournir un taux de pulvérisation de catalyseur d'environ 0,8 mètre carré par heure, ce qui équivaut à une production annuelle de 120 000 assemblages membrane-électrode (MEA) (calculés à 250 cm⊃2 ;/électrode). Le système de dispersion et d'alimentation par ultrasons peut disperser et fournir en continu une suspension catalytique 24h/24 et 7j/7.

4. Piles à combustible à oxyde solide (SOFC) et production d’hydrogène par électrolyse de l’eau

La technologie de pulvérisation par ultrasons présente également des avantages significatifs dans la préparation des couches d’électrolyte et d’électrode dans les SOFC. Dans la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, un équipement de pulvérisation à ultrasons est utilisé pour recouvrir les électrolyseurs d’hydrogène. La pulvérisation ultrasonique peut être utilisée pour recouvrir uniformément les matériaux catalyseurs (tels que le platine et l'iridium) sur les électrodes afin d'améliorer l'efficacité de l'électrolyse. Cette technologie a été largement appliquée dans des processus clés tels que la préparation d'électrodes de membrane de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, la pulvérisation et le transfert de catalyseur de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et la pulvérisation de solution de Nafion sur couche de diffusion de papier carbone.

III. Fabrication de cellules solaires

La technologie de pulvérisation ultrasonique devient un moyen clé pour améliorer l'efficacité et réduire les coûts dans le domaine des cellules solaires -35.

1. Cellules solaires pérovskites

Les cellules solaires à pérovskite sont considérées comme un représentant exceptionnel de la prochaine génération de technologie de cellules solaires peu coûteuses. Bien que le revêtement par centrifugation fonctionne parfaitement en laboratoire, il ne convient que pour la fabrication de dispositifs sur de petites surfaces et non pour des dispositifs de grande surface. La technologie de pulvérisation par ultrasons peut atomiser la solution de précurseur de pérovskite en petites gouttelettes, obtenant ainsi un revêtement uniforme à basse température. Les gouttelettes obtenues par cette méthode sont de taille uniforme et ont une faible énergie cinétique initiale, évitant le phénomène « d'éclaboussures » et réduisant efficacement les déchets de matériaux, ce qui en fait une technologie très appropriée pour la fabrication de couches minces de grande surface. Les recherches actuelles ont vérifié la compatibilité de la pulvérisation ultrasonique sur différentes zones et types de substrats : atteignant une efficacité de 18,53 % sur les dispositifs rigides de petite surface et une efficacité de plus de 16 % sur les cellules solaires à pérovskite flexibles de petite surface.

2. Cellules solaires à couches minces

La technologie de pulvérisation par ultrasons s'est avérée efficace dans le dépôt de divers revêtements fonctionnels pour les cellules solaires à couches minces, notamment des couches antireflet, des revêtements d'oxyde conducteur transparent (TCO), des couches tampons, des revêtements PEDOT et des couches actives. OPV, CIGS, CdTe, CZT, pérovskite et DSC peuvent être déposés à l'aide de la technologie de pulvérisation humide par ultrasons après avoir été préparés en solutions ou suspensions. Utilisant seulement une fraction du coût des équipements de CVD et de pulvérisation, les systèmes de buses d'atomisation ultrasoniques réduisent considérablement le coût des cellules solaires à couches minces tout en garantissant une efficacité de conversion cellulaire élevée. Les revêtements antireflet peuvent améliorer l'efficacité de la production d'énergie des cellules solaires de 3 à 4 %.

3. Revêtements transparents d’oxyde conducteur (TCO)

Les couches de TCO sont généralement préparées à l’aide de la technologie de pyrolyse par pulvérisation ultrasonique. Les matériaux pulvérisables comprennent l'ITO, le ZnO (dopé avec Ga, Al, In), CdO, SnO₂, les nanotubes de carbone, les nanofils d'argent et le graphène. Les buses à ultrasons offrent des avantages significatifs dans le dépôt de nanomatériaux en raison de leur capacité à disperser les particules en suspension lors de l'atomisation.

III. Fabrication de cellules solaires

La technologie de pulvérisation par ultrasons devient une méthode clé pour améliorer l’efficacité et réduire les coûts dans le domaine des cellules solaires.

1. Cellules solaires pérovskites

Les cellules solaires à pérovskite sont considérées comme des représentants exceptionnels de la technologie des cellules solaires à faible coût de nouvelle génération. Bien que le revêtement par centrifugation fonctionne parfaitement en laboratoire, il ne convient que pour la fabrication de dispositifs sur de petites surfaces et non pour des dispositifs de grande surface. La technologie de pulvérisation par ultrasons peut atomiser les solutions de précurseurs de pérovskite en petites gouttelettes, obtenant ainsi un revêtement uniforme à basse température. Cette méthode produit des gouttelettes de taille uniforme et de faible énergie cinétique initiale, évitant les « éclaboussures » et réduisant efficacement les déchets de matériaux, ce qui en fait une technologie très appropriée pour la fabrication de couches minces de grande surface. Les recherches actuelles ont vérifié la compatibilité de la pulvérisation ultrasonique sur différentes zones et types de substrats : atteignant une efficacité de 18,53 % sur les dispositifs rigides de petite surface et une efficacité de plus de 16 % sur les cellules solaires à pérovskite flexibles de petite surface.

2. Cellules solaires à couches minces

La technologie de pulvérisation par ultrasons s'est avérée efficace dans le dépôt de divers revêtements fonctionnels pour les cellules solaires à couches minces, notamment des couches antireflet, des revêtements d'oxyde conducteur transparent (TCO), des couches tampons, des revêtements PEDOT et des couches actives. OPV, CIGS, CdTe, CZT, pérovskite et DSC peuvent être déposés à l'aide de la technologie de pulvérisation humide par ultrasons après avoir été préparés en solutions ou suspensions. Utilisant seulement une fraction du coût des équipements de CVD et de pulvérisation, les systèmes de buses d'atomisation ultrasoniques réduisent considérablement le coût des cellules solaires à couches minces tout en garantissant une efficacité de conversion cellulaire élevée. Les revêtements antireflet peuvent améliorer l'efficacité de la production d'énergie des cellules solaires de 3 à 4 %.

3. Revêtements transparents d’oxyde conducteur (TCO)

Les couches de TCO sont généralement préparées à l’aide de la technologie de pyrolyse par pulvérisation ultrasonique. Les matériaux pulvérisables comprennent l'ITO, le ZnO (dopé avec Ga, Al, In), CdO, SnO₂, les nanotubes de carbone, les nanofils d'argent et le graphène. Les buses à ultrasons offrent des avantages significatifs pour déposer ces nanomatériaux en raison de leur capacité à disperser les particules dans la suspension lors de l'atomisation.

En résumé, la technologie de pulvérisation par atomisation ultrasonique, avec sa haute précision, sa haute uniformité, son utilisation élevée des matériaux et sa convivialité pour les substrats fragiles, est devenue un processus clé indispensable dans le domaine de la fabrication de nouvelles énergies. Du revêtement d'électrodes et de membranes pour batteries lithium-ion à la préparation précise de couches de catalyseur pour les piles à combustible, en passant par le dépôt de couches fonctionnelles dans les cellules solaires et des domaines émergents tels que les supercondensateurs et l'électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène, cette technologie oriente globalement la nouvelle industrie énergétique vers plus d'efficacité, de précision et de durabilité. Avec une itération technologique continue et une optimisation accrue des coûts, la pulvérisation par atomisation par ultrasons jouera un rôle encore plus important dans la transition énergétique mondiale.