Melyek az ultrahangos porlasztási technológia alkalmazásai az új energiaiparban?

Melyek az ultrahangos porlasztási technológia alkalmazásai az új energiaiparban?

Az ultrahangos porlasztásos permetezési technológia, amelynek fő előnyei a nagy pontosság, a nagy egyenletesség, a magas anyagfelhasználás és az érintésmentes, kíméletes folyamat, az új energiaipar korszerűsítésének kulcsfontosságú tényezőjévé válik. Ez a technológia nagyfrekvenciás ultrahangot használ a folyadékok egyenletes, mikronos vagy akár nanométeres méretű cseppekké történő porlasztására, amelyeket azután alacsony nyomású vivőgáz segítségével precízen leraknak a hordozó felületére. A lítium-ion akkumulátoroktól a hidrogén üzemanyagcellákig és a következő generációs napelemekig az ultrahangos porlasztásos permetezés átfogóan felhatalmazza az új energiatermelést.

Technológiai alapelv: Az ultrahangos porlasztó permetezőrendszer magja a piezoelektromos átalakító. Amikor nagyfrekvenciás áramot (általában 20 kHz-120 kHz) alkalmaznak a rendszerre, a jelátalakító nagyfrekvenciás mechanikai rezgést kelt. Ez a rezgés állóhullámot képez a folyadékfilmben a fúvókánál, mikron méretű cseppekre 'törve' koncentrált méreteloszlású (a cseppátmérő jellemzően 1-50 μm között). A porlasztott cseppeket kis sebességű vivőgáz (például nitrogén vagy száraz levegő) irányítottan a hordozó felületére szállítja, ahol kiszáradnak és megszilárdulnak, így sűrű és egyenletes funkcionális bevonatot képeznek. A hagyományos permetezési módszerekkel ellentétben, amelyek nagy nyomáson vagy mechanikai erőn alapulnak, ez a folyamat nem igényel nagy nyomást vagy erős ütést, így érintésmentes precíziós bevonási eljárás.

Alapvető előnyök: Az ultrahangos porlasztásos permetezési technológia több dimenzióban is jelentős előnyökkel jár az új energiagyártásban:

Kiváló bevonategyenletesség: A porlasztott cseppméret-eloszlás keskeny, ami a bevonat vastagságának nagy egyenletességét eredményezi, hatékonyan elkerülve a hagyományos eljárásoknál gyakori hibákat, mint például a megereszkedés, csöpögés és lyukak. A hagyományos pneumatikus kétfolyadékos permetezéshez képest az ultrahangos porlasztásos permetezés jobb egyenletességet, vékonyabb bevonatvastagságot és nagyobb pontosságot ér el.

Rendkívül magas anyagfelhasználás: A porlasztási eljárás során szinte nem keletkezik fröccsenő hulladék, így akár 85-95%-os anyagfelhasználási arány érhető el. Az olyan nemesfém katalizátorok esetében, mint a platina és a nagy értékű akkumulátoranyagok, ez az előny közvetlenül jelentős költségmegtakarítást jelent.

Elérhető ultravékony bevonatok: Ultrahangos permetezéssel könnyen készíthetők rendkívül vékony (≤10 μm vagy akár 20 nm) és egyenletes bevonatok. A bevonat vastagsága nanométeres pontosságú lehet, ami döntő fontosságú az akkumulátor-elektródák, a fotovoltaikus vékonyrétegek és az új energetikai ipar egyéb, a bevonat vastagságára rendkívül érzékeny összetevőinek előállításához.

Érintkezésmentes eljárás, hordozók védelme: A cseppek kis sebességű vivőgáz-szállítása komoly ütés nélkül hatékonyan védi a törékeny szubsztrátumokat, mint például a protoncserélő membránokat, az ultravékony elektródákat és a rugalmas membránokat a sérülésektől.

Zöld és környezetbarát: Nincs szükség nagynyomású levegőre, 30-50%-kal csökkenti a szerves oldószerek párolgását (VOC-kibocsátását), ami igazodik az új energiaipar alacsony szén-dioxid-kibocsátású gyártási trendjéhez.

Alacsony karbantartási költségek: Az ultrahangos fúvóka fúvóka nélküli kialakítása alapvetően elkerüli a hagyományos fúvókák eltömődési problémáit, csökkenti a tisztítás leállási idejét.

Alapvető alkalmazások az új energia területén

I. Lítium-ion akkumulátor gyártás

Az ultrahangos permetezési technológiát a lítium-ion akkumulátorgyártás több szakaszában mélyen alkalmazták.

1. Elektróda előkészítése (pozitív/negatív elektróda)

Az elektródalapot úgy alakítják ki, hogy a vezetőszerekkel és kötőanyagokkal kevert aktív anyagok (például lítium-kobalt-oxid, lítium-vas-foszfát, magas nikkeltartalmú terner, grafit stb.) szuszpenzióját egyenletesen permetezzük egy fémfólia áramgyűjtőre. Ultrahangos permetezéssel ultravékony és egyenletes elektródabevonatokat lehet elérni, elkerülve a hagyományos bevonatoknál megszokott 'élhatást' vagy repedési problémákat, és javítva az elektróda vastagságának konzisztenciáját. A nagy pontosságú bevonatok növelik az elektróda és az elektrolit közötti érintkezési felületet, javítva az ionszállítás hatékonyságát, ezáltal növelve az akkumulátor töltési és kisütési sebességét, valamint az általános teljesítményt. Ezzel egyidejűleg a bevonat jó egyenletességének köszönhetően az akkumulátor konzisztenciája is biztosított, hatékonyan csökkentve az egyes cellák teljesítménybeli különbségeiből adódó megrövidült általános élettartam problémáját.

2. Elválasztó funkcionális bevonat

A lítium akkumulátorok „biztonsági korlátjaként” a szeparátornak magas hőmérséklet-állósággal, nagy permeabilitással és kiváló ionvezető képességgel kell rendelkeznie. Az ultrahangos permetezés egyenletesen bevonhatja a PP/PE alapú szeparátorokat kerámia bevonatokkal (például Al2O3 nanorészecskékkel) vagy polimer bevonatokkal. A kerámia bevonat ellenáll a 200 ℃ feletti hőmérsékletnek, jelentősen javítva a szeparátor hőállóságát, elektrolit nedvesíthetőségét és mechanikai szilárdságát. Ezzel a technológiával a bevonat porozitását (jellemzően >40%) és pórusméret-eloszlását (<1μm) is pontosan szabályozni tudja, kiegyenlítve az ionvezetőképességet és a dendritblokkoló képességet. A továbbfejlesztett bevonat hatékonyan gátolja a szeparátor termikus zsugorodását, megakadályozza a belső rövidzárlatokat és növeli az akkumulátor biztonságát.

3. Szilárdtest-akkumulátorok

Az ultrahangos permetezés kulcsfontosságú folyamat a szilárdtest-akkumulátorok kulcsfontosságú alkatrészeinek előállításához. Használható szilárd elektrolit rétegek (például LLZO) permetezésére ultravékony, hibamentes bevonatok elérése érdekében. Alacsony hőmérsékletű feldolgozása elkerüli a magas hőmérsékletű szinterezés okozta anyagbomlást, így alkalmas hőmérséklet-érzékeny szilárd elektrolit filmképződésre. Ezzel egyidejűleg egy pufferréteg permetezése az elektróda/elektrolit interfészre hatékonyan csökkenti a határfelületi impedanciát és javítja a teljes cellaciklus stabilitását. Az ultrahangos permetezés jelentősen csökkenti a felületi ellenállást, és javítja a lítium-ion szállítási dinamikát azáltal, hogy javítja a felületi érintkezést a szilárdtest akkumulátorokban. 4. Egyéb funkcionális bevonatok

Az ultrahangos permetezés használható fülvédő bevonatokhoz is (elektrolitálló polimer bevonatok, például PVDF és PTFE permetezése alumínium- és rézfülekre a korrózió megelőzésére és a belső ellenállás növekedési ütemének csökkentésére), akkumulátorház korróziógátló bevonatok (javítják a sópermet és a nedves hőállóságot), áramkollektorok, például vezetőképes cellákra/PI-re és ET permetezésre. ultravékony sejtgyártás.

II. Üzemanyagcella gyártás

A membránelektróda szerelvény (MEA) az üzemanyagcella magja, és gyártási minősége közvetlenül meghatározza a cella teljesítménysűrűségét, stabilitását és élettartamát. Az ultrahangos permetezési technológia döntő szerepet játszik az üzemanyagcellák gyártásában.

1. Katalizátorral bevont membrán (CCM) előkészítése

Az ultrahangos permetezés a katalizátorszuszpenziót (például platina-szén katalizátort) apró cseppekké porlasztja, pontosan lerakva azokat egy protoncserélő membrán (PEM) vagy gázdiffúziós réteg (GDL) szubsztrát felületére, így sűrű és egyenletes katalizátorréteget képez. Az egyenletes cseppméret-eloszlás rendkívül egyenletes katalizátoreloszlást biztosít. Az ultrahangos permetezőrendszerek rendkívül tartós, egyenletes szénalapú katalizátorbevonatokat tudnak előállítani az üzemanyagcellákban és a protoncserélő membrános (PEM) elektrolizátorokban (például Nafion) végzett elektrolízis során anélkül, hogy a membrán duzzadását vagy deformációját okoznák. Az egyedülálló vákuumfűtési rendszer jól rögzíti és feszítve tartja a protoncserélő membránt, megakadályozva a duzzanatot a permetezés során.

2. Jelentősen javult a nemesfém katalizátor felhasználás

Az ultrahangos permetezési technológia bebizonyította, hogy rendkívül magas, akár 90%-os platinafelhasználási arányt ér el a MEA-gyártásban. A túlpermetezés csökkentésével költséges katalizátor iszap takarítható meg, így akár 50%-kal is csökkenthető az anyagfelhasználás. Az ultrahangos fúvókán belüli folyamatos ultrahangos rezgések az agglomerált szuszpenzió részecskéket is eloszlatják és lebontják, ezáltal maximalizálják a funkcionális részecskék kihasználását. Ez a technológia alkalmas polimer oldatok, például PTFE kötőanyagok GDL-ekre (például szénpapírra) történő permetezésére is, hogy fokozza a hidrofilitást vagy a hidrofóbitást az elektrolízis során.

3. Gradiens lerakódás és többfúvókás skálázhatóság

A kettős fúvókás ultrahangos permetezési technológiának köszönhetően a Pt/C katalizátorok és a Nafion ionomerek egymástól függetlenül lerakhatók, így az ionomerek eloszlása ​​precízen szabályozható. A négy ultrahangos fúvókaegységgel felszerelt permetezőrendszer körülbelül 0,8 négyzetméter/óra katalizátorpermetezési sebességet biztosít, ami 120 000 membránelektróda-szerelvény (MEA) éves termelésének felel meg (250 cm⊃2-re számítva;/elektróda). Az ultrahangos diszperziós és ellátó rendszer folyamatosan képes diszpergálni és szállítani a katalizátor iszapot a hét minden napján, 24 órában.

4. Szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC) és hidrogéntermelés vízelektrolízissel

Az ultrahangos permetezési technológia jelentős előnyökkel jár az elektrolit- és elektródarétegek SOFC-k előkészítésében is. A víz elektrolízissel történő hidrogéntermelés során ultrahangos permetező berendezést használnak a hidrogénelektrolizátorok bevonására. Ultrahangos permetezés használható a katalizátor anyagok (például platina és irídium) egyenletes bevonására az elektródákra az elektrolízis hatékonyságának javítása érdekében. Ezt a technológiát széles körben alkalmazzák olyan kulcsfontosságú folyamatokban, mint a protoncserélő membrán üzemanyagcellás membrán elektródák előkészítése, a víz elektrolízis hidrogéntermelési katalizátor permetezése és átvitele, valamint a szénpapír diffúziós réteg Nafion oldat permetezése.

III. Napelem gyártás

Az ultrahangos permetezési technológia a napelemek területén a hatékonyság javításának és a költségek csökkentésének kulcsfontosságú eszközévé válik -35.

1. Perovskit napelemek

A perovskit napelemeket az olcsó napelem-technológia következő generációjának kiemelkedő képviselőjének tartják. Míg a spinbevonat laboratóriumban kiválóan teljesít, csak kis felületű készülékgyártásra alkalmas, nagy felületű készülékekre nem. Az ultrahangos permetezési technológia a perovszkit prekurzor oldatot kis cseppekké porlasztja, így alacsony hőmérsékleten egyenletes bevonatot ér el. Az ezzel a módszerrel kapott cseppecskék egységes méretűek és alacsony kezdeti kinetikus energiával rendelkeznek, elkerülve a 'fröccsenés' jelenséget, és hatékonyan csökkentik az anyagpazarlást, így nagyon alkalmas technológiát nagy felületű vékonyréteg-gyártáshoz. A jelenlegi kutatások igazolták az ultrahangos permetezés kompatibilitását különböző felületeken és típusokon: kis felületű merev eszközökön 18,53%-os hatékonyságot, kis felületű, rugalmas perovszkit napelemeknél pedig több mint 16%-os hatékonyságot értek el.

2. Vékonyrétegű napelemek

Az ultrahangos permetezési technológia sikeresnek bizonyult a vékonyfilmes napelemek különféle funkcionális bevonatainak felvitelében, beleértve a tükröződésgátló rétegeket, az átlátszó vezető oxid (TCO) bevonatokat, a pufferrétegeket, a PEDOT bevonatokat és az aktív rétegeket. Az OPV, a CIGS, a CdTe, a CZT, a perovszkit és a DSC ultrahangos nedves permetezési technológiával vihető fel oldatokká vagy szuszpenziókká történő előkészítés után. A CVD és a porlasztó berendezések költségének csak töredékét használva az ultrahangos porlasztó fúvókarendszerek jelentősen csökkentik a vékonyfilmes napelemek költségét, miközben magas cellaátalakítási hatékonyságot biztosítanak. A tükröződésgátló bevonatok 3%-4%-kal javíthatják a napelemek energiatermelési hatékonyságát.

3. Átlátszó vezető oxid (TCO) bevonatok

A TCO rétegeket jellemzően ultrahangos permetező pirolízis technológiával készítik. A permetezhető anyagok közé tartozik az ITO, a ZnO (Ga, Al, In), CdO, SnO₂, szén nanocsövek, ezüst nanohuzalok és grafén. Az ultrahangos fúvókák jelentős előnyöket kínálnak a nanoanyagok lerakódásában, mivel a porlasztás során képesek a részecskéket a szuszpenzióban diszpergálni.

III. Napelem gyártás

Az ultrahangos permetezési technológia a napelemek területén a hatékonyság növelésének és a költségek csökkentésének kulcsfontosságú módszerévé válik.

1. Perovskit napelemek

A perovskit napelemek a következő generációs alacsony költségű napelem-technológia kiemelkedő képviselőinek számítanak. Míg a spinbevonat laboratóriumban kiválóan teljesít, csak kis felületű készülékgyártásra alkalmas, nagy felületű készülékekre nem. Az ultrahangos permetezési technológia a perovszkit prekurzor oldatokat kis cseppekké porlasztja, így alacsony hőmérsékleten egyenletes bevonat érhető el. Ez a módszer egyenletes méretű és alacsony kezdeti kinetikus energiájú cseppeket állít elő, elkerülve a 'fröccsenést' és hatékonyan csökkenti az anyagpazarlást, így nagyon alkalmas technológiát nagy felületű vékonyréteg-gyártáshoz. A jelenlegi kutatások igazolták az ultrahangos permetezés kompatibilitását különböző felületeken és típusokon: kis felületű merev eszközökön 18,53%-os hatékonyságot, kis felületű, rugalmas perovszkit napelemeknél pedig több mint 16%-os hatékonyságot értek el.

2. Vékonyrétegű napelemek

Az ultrahangos permetezési technológia sikeresnek bizonyult a vékonyfilmes napelemek különféle funkcionális bevonatainak felvitelében, beleértve a tükröződésgátló rétegeket, az átlátszó vezető oxid (TCO) bevonatokat, a pufferrétegeket, a PEDOT bevonatokat és az aktív rétegeket. Az OPV, a CIGS, a CdTe, a CZT, a perovszkit és a DSC ultrahangos nedves permetezési technológiával vihető fel oldatokká vagy szuszpenziókká történő előkészítés után. A CVD és a porlasztó berendezések költségének csak töredékét használva az ultrahangos porlasztó fúvókarendszerek jelentősen csökkentik a vékonyfilmes napelemek költségét, miközben magas cellaátalakítási hatékonyságot biztosítanak. A tükröződésgátló bevonatok 3%-4%-kal javíthatják a napelemek energiatermelési hatékonyságát.

3. Átlátszó vezető oxid (TCO) bevonatok

A TCO rétegeket jellemzően ultrahangos permetező pirolízis technológiával készítik. A permetezhető anyagok közé tartozik az ITO, a ZnO (Ga, Al, In), CdO, SnO₂, szén nanocsövek, ezüst nanohuzalok és grafén. Az ultrahangos fúvókák jelentős előnyöket kínálnak ezeknek a nanoanyagoknak a lerakódásában, mivel képesek a részecskéket szétszórni a szuszpenzióban a porlasztás során.

Összefoglalva, az ultrahangos porlasztásos permetezési technológia nagy pontosságával, nagy egyenletességével, nagy anyagfelhasználásával és a sérülékeny aljzatokkal szembeni barátságosságával az új energiagyártási területen nélkülözhetetlen kulcsfolyamattá vált. A lítium-ion akkumulátorok elektróda- és membránbevonatától kezdve az üzemanyagcellák katalizátorrétegeinek precíziós előkészítéséig, a napelemek funkcionális rétegeinek lerakásáig, és az olyan feltörekvő területeken, mint a szuperkondenzátorok és a hidrogéntermeléshez szükséges vízelektrolízis, ez a technológia átfogóan hajtja az új energiaipart a nagyobb hatékonyság, pontosság és fenntarthatóság felé. Folyamatos technológiai iterációval és további költségoptimalizálással az ultrahangos porlasztásos permetezés még fontosabb szerepet fog játszani a globális energetikai átalakulásban.