Quali sono le applicazioni della tecnologia di atomizzazione ad ultrasuoni nel settore della nuova energia?

Quali sono le applicazioni della tecnologia di atomizzazione ad ultrasuoni nel nuovo settore energetico?

La tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni, con i suoi vantaggi principali di alta precisione, elevata uniformità, elevato utilizzo dei materiali e processo delicato e senza contatto, sta diventando una forza chiave che guida il potenziamento del nuovo settore energetico. Questa tecnologia utilizza gli ultrasuoni ad alta frequenza per atomizzare i liquidi in goccioline uniformi su scala micron o addirittura nanometrica, che vengono poi depositate con precisione sulla superficie del substrato utilizzando un gas vettore a bassa pressione. Dalle batterie agli ioni di litio alle celle a combustibile a idrogeno e alle celle solari di prossima generazione, la spruzzatura di atomizzazione ad ultrasuoni sta potenziando in modo completo la produzione di nuova energia.

Principio tecnologico fondamentale: il nucleo del sistema di spruzzatura ad atomizzazione ad ultrasuoni è il trasduttore piezoelettrico. Quando al sistema viene applicata una corrente ad alta frequenza (tipicamente 20kHz-120kHz), il trasduttore genera vibrazioni meccaniche ad alta frequenza. Questa vibrazione forma un'onda stazionaria nel film liquido in corrispondenza dell'ugello, 'rompendo' il liquido in goccioline di dimensioni micrometriche con una distribuzione dimensionale concentrata (diametro delle gocce tipicamente compreso tra 1 e 50μm). Le goccioline atomizzate vengono trasportate direzionalmente sulla superficie del substrato da un gas vettore a bassa velocità (come azoto o aria secca), dove si asciugano e si solidificano per formare un rivestimento funzionale denso e uniforme. A differenza dei metodi di spruzzatura tradizionali che si basano sull'alta pressione o sulla forza meccanica, questo processo non richiede alta pressione o impatti violenti, rendendolo un processo di rivestimento di precisione senza contatto.

Vantaggi principali: la tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni presenta vantaggi significativi in ​​molteplici dimensioni nella produzione di nuova energia:

Eccellente uniformità del rivestimento: la distribuzione delle dimensioni delle goccioline atomizzate è stretta, con conseguente elevata uniformità dello spessore del rivestimento, evitando efficacemente difetti comuni nei processi tradizionali come cedimenti, gocciolamenti e fori di spillo. Rispetto alla tradizionale spruzzatura pneumatica a due fluidi, la spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni raggiunge una migliore uniformità, uno spessore del rivestimento più sottile e una maggiore precisione.

Utilizzo del materiale estremamente elevato: il processo di atomizzazione non genera quasi nessuno spreco di spruzzi, raggiungendo un tasso di utilizzo del materiale fino all'85% -95%. Per i catalizzatori di metalli preziosi come il platino e i materiali per batterie di alto valore, questo vantaggio si traduce direttamente in un significativo risparmio sui costi.

Ottenibili rivestimenti ultrasottili: la spruzzatura ad ultrasuoni può facilmente produrre rivestimenti estremamente sottili (≤10μm o anche 20nm) e uniformi. Lo spessore del rivestimento può essere accurato a livello nanometrico, il che è fondamentale per la produzione di elettrodi di batterie, film sottili fotovoltaici e altri componenti del nuovo settore energetico che sono estremamente sensibili allo spessore del rivestimento.

Processo senza contatto, protezione dei substrati: l'erogazione di goccioline di gas vettore a bassa velocità, senza impatti gravi, protegge efficacemente dai danni i substrati fragili come membrane a scambio protonico, elettrodi ultrasottili e diaframmi flessibili.

Ecologico e rispettoso dell'ambiente: non è necessaria aria ad alta pressione, riducendo l'evaporazione dei solventi organici (emissioni di COV) del 30%-50%, in linea con la tendenza della produzione a basse emissioni di carbonio nel nuovo settore energetico.

Bassi costi di manutenzione: il design senza ugelli dell'ugello a ultrasuoni evita sostanzialmente i problemi di intasamento degli ugelli tradizionali, riducendo i tempi di inattività per la pulizia.

Applicazioni fondamentali nel campo delle nuove energie

I. Produzione di batterie agli ioni di litio

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni è stata ampiamente applicata in più fasi di produzione delle batterie agli ioni di litio.

1. Preparazione dell'elettrodo (elettrodo positivo/negativo)

Un foglio di elettrodi viene formato spruzzando uniformemente una sospensione di materiali attivi (come ossido di litio cobalto, fosfato di litio ferro, ternario ad alto contenuto di nichel, grafite, ecc.) mescolati con agenti conduttivi e leganti su un collettore di corrente a lamina metallica. La spruzzatura ad ultrasuoni può ottenere rivestimenti degli elettrodi ultrasottili e uniformi, evitando l'effetto bordo o i problemi di fessurazione comuni nei rivestimenti tradizionali e migliorando la consistenza dello spessore dell'elettrodo. I rivestimenti ad alta precisione aumentano l'area di contatto tra l'elettrodo e l'elettrolita, migliorando l'efficienza del trasporto degli ioni, aumentando così la velocità di carica e scarica della batteria e le prestazioni complessive. Allo stesso tempo, grazie alla buona uniformità del rivestimento, viene garantita l'uniformità della batteria, riducendo efficacemente il problema della riduzione della durata complessiva causata dalle differenze nelle prestazioni delle singole celle.

2. Rivestimento funzionale separatore

Essendo la 'barriera di sicurezza' delle batterie al litio, il separatore deve possedere resistenza alle alte temperature, elevata permeabilità ed eccellente conduttività ionica. La spruzzatura ad ultrasuoni può rivestire uniformemente i separatori a base di PP/PE con rivestimenti ceramici (come nanoparticelle di Al₂O₃) o rivestimenti polimerici. Il rivestimento ceramico può resistere a temperature >200℃, migliorando significativamente la resistenza al calore del separatore, la bagnabilità dell'elettrolita e la resistenza meccanica. Questa tecnologia può anche controllare con precisione la porosità del rivestimento (tipicamente >40%) e la distribuzione delle dimensioni dei pori (<1μm), bilanciando la conduttività ionica e la capacità di blocco dei dendriti. Il rivestimento migliorato sopprime efficacemente il restringimento termico del separatore, prevenendo cortocircuiti interni e migliorando la sicurezza della batteria.

3. Batterie allo stato solido

La spruzzatura ad ultrasuoni è un processo cruciale per la fabbricazione di componenti chiave delle batterie a stato solido. Può essere utilizzato per spruzzare strati di elettroliti solidi (come LLZO) per ottenere rivestimenti ultrasottili e privi di difetti. La sua lavorazione a bassa temperatura evita la decomposizione del materiale causata dalla sinterizzazione ad alta temperatura, rendendolo adatto alla formazione di film elettrolitici solidi sensibili alla temperatura. Allo stesso tempo, la spruzzatura di uno strato tampone sull'interfaccia elettrodo/elettrolita riduce efficacemente l'impedenza interfacciale e migliora la stabilità del ciclo completo della cella. La spruzzatura ad ultrasuoni riduce significativamente la resistenza interfacciale e migliora la dinamica del trasporto degli ioni di litio migliorando il contatto interfacciale nelle batterie a stato solido. 4. Altri rivestimenti funzionali

La spruzzatura a ultrasuoni può essere utilizzata anche per rivestimenti di protezione delle linguette (spruzzatura di rivestimenti polimerici resistenti agli elettroliti come PVDF e PTFE su linguette di alluminio e rame per prevenire la corrosione e ridurre il tasso di crescita della resistenza interna), rivestimenti anticorrosivi dell'involucro della batteria (migliorando la nebbia salina e la resistenza al calore umido), strati conduttivi del collettore di corrente e spruzzatura su substrati flessibili come PET/PI, adatti per celle a sacchetto e fabbricazione di celle ultrasottili.

II. Produzione di celle a combustibile

Il gruppo membrana-elettrodo (MEA) è il nucleo di una cella a combustibile e la sua qualità di fabbricazione determina direttamente la densità di potenza, la stabilità e la durata della cella. La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni svolge un ruolo cruciale nella produzione di celle a combustibile.

1. Preparazione della membrana rivestita di catalizzatore (CCM).

La spruzzatura ad ultrasuoni atomizza l'impasto liquido del catalizzatore (come il catalizzatore platino-carbonio) in minuscole goccioline, depositandole con precisione sulla superficie di una membrana a scambio protonico (PEM) o di un substrato di strato di diffusione del gas (GDL) per formare uno strato catalitico denso e uniforme. La distribuzione uniforme delle dimensioni delle gocce garantisce una distribuzione del catalizzatore altamente coerente. I sistemi di spruzzatura ad ultrasuoni possono produrre rivestimenti catalitici uniformi e altamente durevoli a base di carbonio durante l'elettrolisi nelle celle a combustibile e negli elettrolizzatori con membrana a scambio protonico (PEM) (come Nafion) senza causare rigonfiamento o deformazione della membrana. Un esclusivo sistema di riscaldamento a vuoto mantiene la membrana a scambio protonico ben fissata e tesa, prevenendo il rigonfiamento durante la spruzzatura.

2. Utilizzo del catalizzatore di metalli preziosi notevolmente migliorato

La tecnologia di spruzzatura a ultrasuoni ha dimostrato di raggiungere tassi di utilizzo del platino estremamente elevati, fino al 90%, nella produzione MEA. Riducendo la spruzzatura eccessiva è possibile risparmiare costosi impasti catalitici, riducendo il consumo di materiale fino al 50%. Le continue vibrazioni ultrasoniche all'interno dell'ugello ad ultrasuoni disperdono e abbattono anche le particelle di sospensione agglomerate, massimizzando così l'utilizzo delle particelle funzionali. Questa tecnologia è adatta anche per spruzzare soluzioni polimeriche come leganti PTFE su GDL (come carta carbone) per migliorare l'idrofilicità o l'idrofobicità durante l'elettrolisi.

3. Deposizione gradiente e scalabilità multi-ugello

Attraverso la tecnologia di spruzzatura a ultrasuoni a doppio ugello, i catalizzatori Pt/C e gli ionomeri Nafion possono essere depositati in modo indipendente, ottenendo un controllo preciso sulla distribuzione degli ionomeri. Un sistema di spruzzatura dotato di quattro unità con ugelli a ultrasuoni può fornire una velocità di spruzzatura del catalizzatore di circa 0,8 metri quadrati all'ora, equivalente a una produzione annua di 120.000 gruppi elettrodi a membrana (MEA) (calcolati a 250 cm²/elettrodo). Il sistema di dispersione e alimentazione ad ultrasuoni può disperdere e fornire continuamente liquami catalitici 24 ore su 24, 7 giorni su 7.

4. Celle a combustibile a ossido solido (SOFC) e produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni dimostra anche vantaggi significativi nella preparazione di strati di elettroliti ed elettrodi nei SOFC. Nella produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell'acqua, vengono utilizzate apparecchiature di spruzzatura ad ultrasuoni per rivestire gli elettrolizzatori di idrogeno. La spruzzatura ad ultrasuoni può essere utilizzata per rivestire uniformemente i materiali catalizzatori (come platino e iridio) sugli elettrodi per migliorare l'efficienza dell'elettrolisi. Questa tecnologia è stata ampiamente applicata in processi chiave come la preparazione degli elettrodi della membrana delle celle a combustibile con membrana a scambio protonico, la spruzzatura e il trasferimento di catalizzatori per la produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua e la spruzzatura di soluzioni Nafion con strato di diffusione di carta carbone.

III. Produzione di celle solari

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni sta diventando un mezzo chiave per migliorare l'efficienza e ridurre i costi nel campo delle celle solari -35.

1. Celle solari alla perovskite

Le celle solari in perovskite sono considerate un eccezionale rappresentante della prossima generazione di tecnologia delle celle solari poco costosa. Anche se il rivestimento per rotazione funziona in modo eccellente in laboratorio, è adatto solo per la fabbricazione di dispositivi di piccole dimensioni e non per dispositivi di grandi dimensioni. La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni può atomizzare la soluzione del precursore della perovskite in piccole goccioline, ottenendo un rivestimento uniforme a basse temperature. Le goccioline ottenute con questo metodo hanno dimensioni uniformi e hanno una bassa energia cinetica iniziale, evitando il fenomeno dello 'splattering' e riducendo efficacemente lo spreco di materiale, rendendolo una tecnologia molto adatta per la fabbricazione di film sottili su grandi aree. La ricerca attuale ha verificato la compatibilità della spruzzatura ad ultrasuoni su diverse aree e tipi di substrato: ottenendo un'efficienza del 18,53% su dispositivi rigidi di piccola area e un'efficienza del dispositivo superiore al 16% in celle solari flessibili in perovskite di piccola area.

2. Celle solari a film sottile

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni si è dimostrata efficace nel depositare vari rivestimenti funzionali per celle solari a film sottile, inclusi strati antiriflesso, rivestimenti trasparenti di ossido conduttivo (TCO), strati tampone, rivestimenti PEDOT e strati attivi. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskite e DSC possono essere depositati utilizzando la tecnologia di spruzzatura a umido ad ultrasuoni dopo essere stati preparati in soluzioni o sospensioni. Utilizzando solo una frazione del costo delle apparecchiature CVD e sputtering, i sistemi di ugelli atomizzatori a ultrasuoni riducono significativamente il costo delle celle solari a film sottile garantendo allo stesso tempo un'elevata efficienza di conversione delle celle. I rivestimenti antiriflesso possono migliorare l’efficienza della generazione di energia delle celle solari del 3%-4%.

3. Rivestimenti di ossido conduttivo trasparente (TCO).

Gli strati TCO vengono generalmente preparati utilizzando la tecnologia di pirolisi a spruzzo ad ultrasuoni. I materiali spruzzabili includono ITO, ZnO (drogato con Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanotubi di carbonio, nanofili d'argento e grafene. Gli ugelli ad ultrasuoni offrono vantaggi significativi nella deposizione di nanomateriali grazie alla loro capacità di disperdere le particelle in sospensione durante l'atomizzazione.

III. Produzione di celle solari

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni sta diventando un metodo chiave per migliorare l'efficienza e ridurre i costi nel campo delle celle solari.

1. Celle solari alla perovskite

Le celle solari alla perovskite sono considerate rappresentanti eccezionali della tecnologia delle celle solari a basso costo di prossima generazione. Anche se il rivestimento per rotazione funziona in modo eccellente in laboratorio, è adatto solo per la fabbricazione di dispositivi di piccole dimensioni e non per dispositivi di grandi dimensioni. La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni può atomizzare le soluzioni precursori della perovskite in piccole goccioline, ottenendo un rivestimento uniforme a basse temperature. Questo metodo produce goccioline di dimensioni uniformi e con bassa energia cinetica iniziale, evitando gli 'spruzzi' e riducendo efficacemente lo spreco di materiale, rendendolo una tecnologia molto adatta per la fabbricazione di film sottili su grandi aree. La ricerca attuale ha verificato la compatibilità della spruzzatura ad ultrasuoni su diverse aree e tipi di substrato: ottenendo un'efficienza del 18,53% su dispositivi rigidi di piccola area e un'efficienza del dispositivo superiore al 16% in celle solari flessibili in perovskite di piccola area.

2. Celle solari a film sottile

La tecnologia di spruzzatura ad ultrasuoni si è dimostrata efficace nel depositare vari rivestimenti funzionali per celle solari a film sottile, inclusi strati antiriflesso, rivestimenti trasparenti di ossido conduttivo (TCO), strati tampone, rivestimenti PEDOT e strati attivi. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskite e DSC possono essere depositati utilizzando la tecnologia di spruzzatura a umido ad ultrasuoni dopo essere stati preparati in soluzioni o sospensioni. Utilizzando solo una frazione del costo delle apparecchiature CVD e sputtering, i sistemi di ugelli atomizzatori a ultrasuoni riducono significativamente il costo delle celle solari a film sottile garantendo allo stesso tempo un'elevata efficienza di conversione delle celle. I rivestimenti antiriflesso possono migliorare l’efficienza della generazione di energia delle celle solari del 3%-4%.

3. Rivestimenti di ossido conduttivo trasparente (TCO).

Gli strati TCO vengono generalmente preparati utilizzando la tecnologia di pirolisi a spruzzo ad ultrasuoni. I materiali spruzzabili includono ITO, ZnO (drogato con Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanotubi di carbonio, nanofili d'argento e grafene. Gli ugelli ad ultrasuoni offrono vantaggi significativi nel depositare questi nanomateriali grazie alla loro capacità di disperdere le particelle nella sospensione durante l'atomizzazione.

In sintesi, la tecnologia di spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni, con la sua alta precisione, elevata uniformità, elevato utilizzo del materiale e compatibilità con i substrati fragili, è diventata un processo chiave indispensabile nel nuovo campo della produzione di energia. Dal rivestimento di elettrodi e membrane per batterie agli ioni di litio alla preparazione di precisione di strati catalitici per celle a combustibile, alla deposizione di strati funzionali nelle celle solari e campi emergenti come i supercondensatori e l’elettrolisi dell’acqua per la produzione di idrogeno, questa tecnologia sta guidando in modo completo il nuovo settore energetico verso una maggiore efficienza, precisione e sostenibilità. Con la continua iterazione tecnologica e l’ulteriore ottimizzazione dei costi, la spruzzatura con atomizzazione ad ultrasuoni svolgerà un ruolo ancora più importante nella transizione energetica globale.