Jakie są zastosowania technologii atomizacji ultradźwiękowej w nowym przemyśle energetycznym?

Jakie są zastosowania technologii atomizacji ultradźwiękowej w nowym przemyśle energetycznym?

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego, z jej podstawowymi zaletami, takimi jak wysoka precyzja, wysoka jednorodność, wysokie wykorzystanie materiału i bezdotykowy, delikatny proces, staje się kluczową siłą napędzającą unowocześnienie nowego przemysłu energetycznego. Technologia ta wykorzystuje ultradźwięki o wysokiej częstotliwości do rozpylania cieczy w jednolite kropelki w skali mikronów, a nawet nanometrów, które następnie są precyzyjnie osadzane na powierzchni podłoża za pomocą gazu nośnego pod niskim ciśnieniem. Od akumulatorów litowo-jonowych po wodorowe ogniwa paliwowe i ogniwa słoneczne nowej generacji – ultradźwiękowe natryskiwanie atomizujące kompleksowo wzmacnia nowe możliwości wytwarzania energii.

Podstawowa zasada technologiczna: Rdzeniem ultradźwiękowego systemu natryskiwania atomizującego jest przetwornik piezoelektryczny. Kiedy do systemu doprowadzany jest prąd o wysokiej częstotliwości (zwykle 20 kHz–120 kHz), przetwornik generuje wibracje mechaniczne o wysokiej częstotliwości. Wibracje te tworzą falę stojącą w warstwie cieczy na dyszy, „rozbijając” ciecz na kropelki wielkości mikronów o skoncentrowanym rozkładzie wielkości (średnica kropelki zwykle mieści się w zakresie 1–50 μm). Zatomizowane kropelki są kierunkowo transportowane na powierzchnię podłoża za pomocą gazu nośnego o małej prędkości (takiego jak azot lub suche powietrze), gdzie wysychają i krzepną, tworząc gęstą i jednolitą powłokę funkcjonalną. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod natryskiwania, które opierają się na wysokim ciśnieniu lub sile mechanicznej, proces ten nie wymaga wysokiego ciśnienia ani silnego uderzenia, co czyni go bezkontaktowym procesem precyzyjnego powlekania.

Podstawowe zalety: Technologia natryskiwania ultradźwiękowego wykazuje znaczące zalety w wielu wymiarach w nowej produkcji energii:

Doskonała jednorodność powłoki: Rozkład wielkości rozpylonych kropli jest wąski, co zapewnia wysoką jednorodność grubości powłoki, skutecznie zapobiegając defektom powszechnym w tradycyjnych procesach, takim jak zwiotczenie, kapanie i porów. W porównaniu z tradycyjnym pneumatycznym natryskiem dwupłynowym, natryskiwanie ultradźwiękowe zapewnia lepszą jednorodność, cieńszą grubość powłoki i większą precyzję.

Niezwykle wysokie wykorzystanie materiału: Proces atomizacji nie generuje prawie żadnych odpadów rozbryzgowych, osiągając stopień wykorzystania materiału aż do 85% -95%. W przypadku katalizatorów z metali szlachetnych, takich jak platyna i wysokiej jakości materiały akumulatorowe, zaleta ta bezpośrednio przekłada się na znaczne oszczędności.

Osiągalne ultracienkie powłoki: Natryskiwanie ultradźwiękowe może z łatwością wytworzyć wyjątkowo cienkie (≤10 μm lub nawet 20 nm) i jednolite powłoki. Grubość powłoki może być dokładna do poziomu nanometrów, co ma kluczowe znaczenie przy produkcji elektrod akumulatorowych, cienkich warstw fotowoltaicznych i innych komponentów w nowym przemyśle energetycznym, które są niezwykle wrażliwe na grubość powłoki.

Proces bezdotykowy, chroniący podłoża: Dostarczanie kropelek gazu nośnego z małą prędkością, bez silnego uderzenia, skutecznie chroni delikatne podłoża, takie jak membrany do wymiany protonów, ultracienkie elektrody i elastyczne membrany, przed uszkodzeniem.

Ekologiczny i przyjazny dla środowiska: nie jest wymagane powietrze pod wysokim ciśnieniem, co zmniejsza parowanie rozpuszczalników organicznych (emisję LZO) o 30–50%, co jest zgodne z trendem produkcji niskoemisyjnej w nowym przemyśle energetycznym.

Niskie koszty konserwacji: Bezdyszowa konstrukcja dyszy ultradźwiękowej zasadniczo pozwala uniknąć problemów z zatykaniem tradycyjnych dysz, redukując przestoje na czyszczenie.

Podstawowe zastosowania w dziedzinie nowej energii

I. Produkcja akumulatorów litowo-jonowych

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego została szeroko zastosowana na wielu etapach produkcji akumulatorów litowo-jonowych.

1. Przygotowanie elektrody (elektroda dodatnia/ujemna)

Arkusz elektrody powstaje poprzez równomierne natryskiwanie zawiesiny materiałów aktywnych (takich jak tlenek litu, kobaltu, fosforan litowo-żelazowy, trójskładnikowy wysokoniklowy, grafit itp.) zmieszanych ze środkami przewodzącymi i spoiwami na kolektor prądu z folii metalowej. Natryskiwanie ultradźwiękowe pozwala uzyskać ultracienkie i jednolite powłoki elektrod, unikając „efektu krawędzi” lub problemów z pękaniem typowych dla tradycyjnych powłok, a także poprawiając spójność grubości elektrody. Wysoce precyzyjne powłoki zwiększają powierzchnię styku elektrody z elektrolitem, poprawiając efektywność transportu jonów, zwiększając w ten sposób prędkość ładowania i rozładowywania akumulatora oraz ogólną wydajność. Jednocześnie, dzięki dobrej równomierności powłoki, zapewniona jest spójność baterii, skutecznie redukując problem skrócenia całkowitej żywotności spowodowanego różnicami w wydajności poszczególnych ogniw.

2. Powłoka funkcjonalna separatora

Jako „bariera bezpieczeństwa” akumulatorów litowych, separator musi charakteryzować się odpornością na wysoką temperaturę, wysoką przepuszczalnością i doskonałą przewodnością jonów. Natryskiwanie ultradźwiękowe umożliwia równomierne pokrycie separatorów na bazie PP/PE powłokami ceramicznymi (takimi jak nanocząstki Al₂O₃) lub powłokami polimerowymi. Powłoka ceramiczna wytrzymuje temperatury> 200 ℃, znacznie zwiększając odporność cieplną separatora, zwilżalność elektrolitu i wytrzymałość mechaniczną. Technologia ta może również precyzyjnie kontrolować porowatość powłoki (zwykle > 40%) i rozkład wielkości porów (<1 μm), równoważąc przewodność jonów i zdolność blokowania dendrytów. Ulepszona powłoka skutecznie tłumi skurcz termiczny separatora, zapobiegając wewnętrznym zwarciom i zwiększając bezpieczeństwo akumulatora.

3. Baterie półprzewodnikowe

Natryskiwanie ultradźwiękowe jest kluczowym procesem wytwarzania kluczowych elementów akumulatorów półprzewodnikowych. Można go stosować do natryskiwania warstw stałego elektrolitu (takich jak LLZO) w celu uzyskania ultracienkich, pozbawionych defektów powłok. Obróbka w niskiej temperaturze pozwala uniknąć rozkładu materiału spowodowanego spiekaniem w wysokiej temperaturze, dzięki czemu nadaje się do tworzenia wrażliwej na temperaturę warstwy stałego elektrolitu. Jednocześnie natryskiwanie warstwy buforowej na styk elektroda/elektrolit skutecznie zmniejsza impedancję międzyfazową i poprawia stabilność cyklu pełnego ogniwa. Natryskiwanie ultradźwiękowe znacząco zmniejsza opór międzyfazowy i poprawia dynamikę transportu litowo-jonowego poprzez poprawę kontaktu międzyfazowego w akumulatorach półprzewodnikowych. 4. Inne powłoki funkcjonalne

Natryskiwanie ultradźwiękowe można również stosować do powłok ochronnych wypustek (natryskiwanie odpornych na elektrolit powłok polimerowych, takich jak PVDF i PTFE na wypustki aluminiowe i miedziane, aby zapobiec korozji i zmniejszyć szybkość wzrostu rezystancji wewnętrznej), powłok antykorozyjnych obudowy akumulatora (poprawiających odporność na mgłę solną i wilgoć), warstw przewodzących kolektora prądu i natryskiwania elastycznych podłoży, takich jak PET/PI, odpowiednich do ogniw woreczkowych i produkcji ultracienkich ogniw.

II. Produkcja ogniw paliwowych

Zespół elektrody membranowej (MEA) stanowi rdzeń ogniwa paliwowego, a jakość jego wykonania bezpośrednio determinuje gęstość mocy, stabilność i żywotność ogniwa. Technologia natryskiwania ultradźwiękowego odgrywa kluczową rolę w produkcji ogniw paliwowych.

1. Przygotowanie membrany powlekanej katalizatorem (CCM).

Natryskiwanie ultradźwiękowe atomizuje zawiesinę katalizatora (taką jak katalizator platynowo-węglowy) na drobne kropelki, precyzyjnie osadzając je na powierzchni podłoża membrany do wymiany protonów (PEM) lub warstwy dyfuzyjnej gazu (GDL), tworząc gęstą i jednolitą warstwę katalizatora. Jednolity rozkład wielkości kropel zapewnia bardzo spójny rozkład katalizatora. Systemy natryskiwania ultradźwiękowego mogą wytwarzać bardzo trwałe, jednolite powłoki katalizatorów na bazie węgla podczas elektrolizy w ogniwach paliwowych i elektrolizerach z membraną do wymiany protonów (PEM) (takich jak Nafion) bez powodowania pęcznienia lub deformacji membrany. Unikalny system ogrzewania próżniowego utrzymuje membranę wymiany protonów dobrze zamocowaną i rozciągniętą, zapobiegając pęcznieniu podczas natryskiwania.

2. Znacząco ulepszone wykorzystanie katalizatorów z metali szlachetnych

Udowodniono, że technologia natryskiwania ultradźwiękowego umożliwia osiągnięcie niezwykle wysokiego stopnia wykorzystania platyny, aż do 90%, w produkcji MEA. Ograniczając nadmierne natryskiwanie, można zaoszczędzić drogie zawiesiny katalizatora, zmniejszając zużycie materiału nawet o 50%. Ciągłe wibracje ultradźwiękowe wewnątrz dyszy ultradźwiękowej również rozpraszają i rozkładają zbrylone cząstki zawiesiny, maksymalizując w ten sposób wykorzystanie cząstek funkcjonalnych. Technologia ta nadaje się również do natryskiwania roztworów polimerów, takich jak spoiwa PTFE, na GDL (takie jak kalka maszynowa) w celu zwiększenia hydrofilowości lub hydrofobowości podczas elektrolizy.

3. Osadzanie gradientowe i skalowalność wielu dysz

Dzięki technologii natryskiwania ultradźwiękowego z podwójną dyszą katalizatory Pt/C i jonomery Nafion można osadzać niezależnie, uzyskując precyzyjną kontrolę nad rozkładem jonomerów. System natryskiwania wyposażony w cztery jednostki dysz ultradźwiękowych może zapewnić szybkość natryskiwania katalizatora wynoszącą około 0,8 metra kwadratowego na godzinę, co odpowiada rocznej produkcji 120 000 zespołów elektrod membranowych (MEA) (obliczonych przy 250 cm²/elektrodę). Ultradźwiękowy system dyspersji i zasilania może w sposób ciągły dyspergować i dostarczać zawiesinę katalizatora 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.

4. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC) i produkcja wodoru poprzez elektrolizę wody

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego wykazuje również znaczące zalety w przygotowaniu warstw elektrolitu i elektrod w SOFC. W produkcji wodoru metodą elektrolizy wody do powlekania elektrolizerów wodoru stosuje się ultradźwiękowe urządzenia natryskowe. Do równomiernego powlekania materiałów katalitycznych (takich jak platyna i iryd) na elektrodach można zastosować natryskiwanie ultradźwiękowe, aby poprawić wydajność elektrolizy. Technologia ta znalazła szerokie zastosowanie w kluczowych procesach, takich jak przygotowanie elektrod z membraną do wymiany protonów, membrana ogniwa paliwowego, natryskiwanie i przenoszenie katalizatora do produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody oraz natryskiwanie roztworem nafionu z warstwą dyfuzyjną bibuły węglowej.

III. Produkcja ogniw słonecznych

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego staje się kluczowym środkiem poprawy wydajności i obniżenia kosztów w dziedzinie ogniw słonecznych -35.

1. Perowskitowe ogniwa słoneczne

Ogniwa słoneczne perowskitowe uważane są za wybitnego przedstawiciela nowej generacji niedrogiej technologii ogniw słonecznych. Chociaż powlekanie wirowe doskonale sprawdza się w laboratorium, nadaje się ono tylko do wytwarzania urządzeń o małej powierzchni, a nie do urządzeń o dużej powierzchni. Technologia natryskiwania ultradźwiękowego umożliwia atomizację roztworu prekursora perowskitu na małe kropelki, uzyskując jednolitą powłokę w niskich temperaturach. Krople otrzymane tą metodą mają jednakową wielkość i niską początkową energię kinetyczną, co pozwala uniknąć zjawiska „rozpryskiwania” i skutecznie ogranicza straty materiału, co czyni tę technologię bardzo odpowiednią do wytwarzania cienkowarstwowych powierzchni na dużych powierzchniach. Aktualne badania zweryfikowały kompatybilność natryskiwania ultradźwiękowego na różnych obszarach i typach podłoża: osiągnięcie wydajności 18,53% w przypadku sztywnych urządzeń o małej powierzchni i ponad 16% wydajności urządzenia w małopowierzchniowych elastycznych ogniwach słonecznych perowskitowych.

2. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego okazała się skuteczna w osadzaniu różnych powłok funkcjonalnych cienkowarstwowych ogniw słonecznych, w tym warstw przeciwodblaskowych, przezroczystych powłok przewodzących tlenków (TCO), warstw buforowych, powłok PEDOT i warstw aktywnych. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perowskit i DSC można osadzać przy użyciu technologii ultradźwiękowego natryskiwania na mokro po przygotowaniu w roztwory lub zawiesiny. Wykorzystując jedynie ułamek kosztów sprzętu CVD i napylania, ultradźwiękowe systemy dysz atomizujących znacznie obniżają koszty cienkowarstwowych ogniw słonecznych, zapewniając jednocześnie wysoką wydajność konwersji ogniw. Powłoki antyrefleksyjne mogą poprawić wydajność wytwarzania energii przez ogniwa słoneczne o 3–4%.

3. Przezroczyste powłoki przewodzące z tlenku (TCO).

Warstwy TCO są zwykle przygotowywane przy użyciu technologii pirolizy natryskowej ultradźwiękowej. Materiały nadające się do natryskiwania obejmują ITO, ZnO (domieszkowane Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanorurki węglowe, nanodruty srebrne i grafen. Dysze ultradźwiękowe oferują znaczne korzyści w osadzaniu nanomateriałów ze względu na ich zdolność do rozpraszania cząstek w zawiesinie podczas atomizacji.

III. Produkcja ogniw słonecznych

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego staje się kluczową metodą poprawy wydajności i redukcji kosztów w dziedzinie ogniw słonecznych.

1. Perowskitowe ogniwa słoneczne

Ogniwa słoneczne perowskitowe uważane są za wybitnych przedstawicieli taniej technologii ogniw słonecznych nowej generacji. Chociaż powlekanie wirowe doskonale sprawdza się w laboratorium, nadaje się ono tylko do wytwarzania urządzeń o małej powierzchni, a nie do urządzeń o dużej powierzchni. Technologia natryskiwania ultradźwiękowego umożliwia atomizację roztworów prekursora perowskitu na małe kropelki, uzyskując jednolitą powłokę w niskich temperaturach. Metoda ta wytwarza kropelki o jednakowej wielkości i niskiej początkowej energii kinetycznej, unikając „rozpryskiwania” i skutecznie ograniczając straty materiału, co czyni ją bardzo odpowiednią technologią do wytwarzania cienkowarstwowych powierzchni na dużych powierzchniach. Aktualne badania zweryfikowały kompatybilność natryskiwania ultradźwiękowego na różnych obszarach i typach podłoża: osiągnięcie wydajności 18,53% w przypadku sztywnych urządzeń o małej powierzchni i ponad 16% wydajności urządzenia w małopowierzchniowych elastycznych ogniwach słonecznych perowskitowych.

2. Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne

Technologia natryskiwania ultradźwiękowego okazała się skuteczna w osadzaniu różnych powłok funkcjonalnych cienkowarstwowych ogniw słonecznych, w tym warstw przeciwodblaskowych, przezroczystych powłok przewodzących tlenków (TCO), warstw buforowych, powłok PEDOT i warstw aktywnych. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perowskit i DSC można osadzać przy użyciu technologii ultradźwiękowego natryskiwania na mokro po przygotowaniu w roztwory lub zawiesiny. Wykorzystując jedynie ułamek kosztów sprzętu CVD i napylania, ultradźwiękowe systemy dysz atomizujących znacznie obniżają koszty cienkowarstwowych ogniw słonecznych, zapewniając jednocześnie wysoką wydajność konwersji ogniw. Powłoki antyrefleksyjne mogą poprawić wydajność wytwarzania energii przez ogniwa słoneczne o 3–4%.

3. Przezroczyste powłoki przewodzące z tlenku (TCO).

Warstwy TCO są zwykle przygotowywane przy użyciu technologii pirolizy natryskowej ultradźwiękowej. Materiały nadające się do natryskiwania obejmują ITO, ZnO (domieszkowane Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanorurki węglowe, nanodruty srebrne i grafen. Dysze ultradźwiękowe oferują znaczne korzyści w osadzaniu tych nanomateriałów ze względu na ich zdolność do rozpraszania cząstek w zawiesinie podczas atomizacji.

Podsumowując, technologia natryskiwania ultradźwiękowego, dzięki wysokiej precyzji, wysokiej jednorodności, wysokiemu wykorzystaniu materiału i przyjazności dla delikatnych podłoży, stała się niezbędnym kluczowym procesem w nowej dziedzinie wytwarzania energii. Od powlekania elektrod i membran w akumulatorach litowo-jonowych po precyzyjne przygotowanie warstw katalizatora w ogniwach paliwowych, osadzanie warstw funkcjonalnych w ogniwach słonecznych i nowe dziedziny, takie jak superkondensatory i elektroliza wody do produkcji wodoru, technologia ta kompleksowo napędza nowy przemysł energetyczny w kierunku większej wydajności, precyzji i zrównoważonego rozwoju. Dzięki ciągłej iteracji technologicznej i dalszej optymalizacji kosztów natryskiwanie ultradźwiękowe będzie odgrywać jeszcze ważniejszą rolę w globalnej transformacji energetycznej.