Care sunt aplicațiile tehnologiei de atomizare cu ultrasunete în industria energiei noi?

Care sunt aplicațiile tehnologiei de atomizare cu ultrasunete în noua industrie a energiei?

Tehnologia de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete, cu avantajele sale de bază de înaltă precizie, uniformitate ridicată, utilizare ridicată a materialului și proces fără contact, blând, devine o forță cheie care conduce la modernizarea noii industriei energetice. Această tehnologie folosește ultrasunete de înaltă frecvență pentru a atomiza lichidele în picături uniforme la scară de microni sau chiar nanometri, care sunt apoi depuse cu precizie pe suprafața substratului folosind un gaz purtător de joasă presiune. De la baterii litiu-ion la celule de combustibil cu hidrogen și la celule solare de ultimă generație, pulverizarea prin pulverizare cu ultrasunete dă putere producției de noi energie.

Principiul principal al tehnologiei: Miezul sistemului de pulverizare cu ultrasunete este traductorul piezoelectric. Când un curent de înaltă frecvență (de obicei 20 kHz-120 kHz) este aplicat sistemului, traductorul generează vibrații mecanice de înaltă frecvență. Această vibrație formează o undă staționară în pelicula lichidă de la duză, „rupând” lichidul în picături de dimensiuni microni cu o distribuție concentrată a dimensiunii (diametrul picăturilor de obicei între 1-50μm). Picăturile atomizate sunt transportate direcțional la suprafața substratului de către un gaz purtător de viteză mică (cum ar fi azotul sau aerul uscat), unde se usucă și se solidifică pentru a forma o acoperire funcțională densă și uniformă. Spre deosebire de metodele tradiționale de pulverizare care se bazează pe presiune înaltă sau forță mecanică, acest proces nu necesită presiune ridicată sau impact sever, ceea ce îl face un proces de acoperire cu precizie fără contact.

Avantajele principale: Tehnologia de pulverizare cu pulverizare cu ultrasunete prezintă avantaje semnificative în mai multe dimensiuni în producția de energie nouă:

O uniformitate excelentă a acoperirii: distribuția dimensiunii picăturilor atomizate este îngustă, rezultând o uniformitate ridicată a grosimii stratului de acoperire, evitând efectiv defectele comune în procesele tradiționale, cum ar fi căderea, picurarea și găurile de acoperire. În comparație cu pulverizarea pneumatică tradițională cu două fluide, pulverizarea prin pulverizare cu ultrasunete obține o uniformitate mai bună, o grosime mai subțire a stratului și o precizie mai mare.

Utilizare extrem de ridicată a materialelor: Procesul de atomizare nu generează aproape nicio stropire de deșeuri, realizând o rată de utilizare a materialului de până la 85%-95%. Pentru catalizatorii din metale prețioase, cum ar fi platina și materialele pentru baterii de mare valoare, acest avantaj se traduce direct în economii semnificative de costuri.

Acoperiri ultra-subțiri realizabile: pulverizarea cu ultrasunete poate produce cu ușurință acoperiri extrem de subțiri (≤10μm sau chiar 20nm) și uniforme. Grosimea stratului de acoperire poate fi precisă la nivelul nanometrului, ceea ce este crucial pentru producția de electrozi de baterie, pelicule subțiri fotovoltaice și alte componente din noua industrie a energiei, care sunt extrem de sensibile la grosimea acoperirii.

Proces fără contact, protejarea substraturilor: livrarea de picături de gaz purtător la viteză redusă, fără impact sever, protejează eficient substraturile fragile, cum ar fi membranele schimbătoare de protoni, electrozii ultra-subțiri și diafragmele flexibile de deteriorare.

Ecologic și ecologic: nu este nevoie de aer de înaltă presiune, reducând evaporarea solvenților organici (emisiile de COV) cu 30%-50%, aliniindu-se cu tendința de producție cu emisii scăzute de carbon din noua industrie energetică.

Costuri reduse de întreținere: Designul fără duză al duzei cu ultrasunete evită în mod fundamental problemele de înfundare ale duzelor tradiționale, reducând timpul de nefuncționare pentru curățare.

Aplicații de bază în domeniul energiei noi

I. Fabricarea bateriilor litiu-ion

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete a fost aplicată profund în mai multe etape de fabricație a bateriilor litiu-ion.

1. Pregătirea electrodului (electrodul pozitiv/negativ)

O foaie de electrod este formată prin pulverizarea uniformă a unei suspensii de materiale active (cum ar fi oxid de litiu cobalt, fosfat de litiu fier, ternar cu conținut ridicat de nichel, grafit etc.) amestecate cu agenți conductivi și lianți pe un colector de curent din folie metalică. Pulverizarea cu ultrasunete poate obține acoperiri de electrozi ultra-subțiri și uniforme, evitând „efectul de margine” sau problemele de fisurare comune în acoperirile tradiționale și îmbunătățind consistența grosimii electrodului. Acoperirile de înaltă precizie măresc aria de contact dintre electrod și electrolit, îmbunătățind eficiența transportului ionic, crescând astfel viteza de încărcare și descărcare a bateriei și performanța generală. Simultan, datorită uniformității bune a acoperirii, este asigurată consistența bateriei, reducând în mod eficient problema scurtării duratei de viață generale cauzate de diferențele de performanță individuală a celulei.

2. Acoperire funcțională a separatorului

Ca „barieră de siguranță” a bateriilor cu litiu, separatorul trebuie să aibă rezistență la temperatură ridicată, permeabilitate ridicată și conductivitate ionică excelentă. Pulverizarea cu ultrasunete poate acoperi uniform separatoarele pe bază de PP/PE cu acoperiri ceramice (cum ar fi nanoparticulele de Al₂O₃) sau acoperiri polimerice. Acoperirea ceramică poate rezista la temperaturi >200℃, sporind semnificativ rezistența la căldură a separatorului, umectarea electrolitului și rezistența mecanică. Această tehnologie poate, de asemenea, controla cu precizie porozitatea acoperirii (de obicei > 40%) și distribuția dimensiunii porilor (<1μm), echilibrând conductivitatea ionică și capacitatea de blocare a dendritei. Acoperirea îmbunătățită suprimă în mod eficient contracția termică a separatorului, prevenind scurtcircuitele interne și sporind siguranța bateriei.

3. Baterii cu stare solidă

Pulverizarea cu ultrasunete este un proces crucial pentru fabricarea componentelor cheie ale bateriilor cu stare solidă. Poate fi folosit pentru a pulveriza straturi solide de electroliți (cum ar fi LLZO) pentru a obține acoperiri ultra-subțiri, fără defecte. Procesarea sa la temperatură scăzută evită descompunerea materialului cauzată de sinterizarea la temperatură înaltă, făcându-l potrivit pentru formarea peliculei de electrolit solid sensibil la temperatură. Simultan, pulverizarea unui strat tampon la interfața electrod/electrolit reduce în mod eficient impedanța interfacială și îmbunătățește stabilitatea întregului ciclu celular. Pulverizarea cu ultrasunete reduce semnificativ rezistența interfacială și îmbunătățește dinamica transportului litiu-ion prin îmbunătățirea contactului interfacial în bateriile cu stare solidă. 4. Alte acoperiri funcționale

Pulverizarea cu ultrasunete poate fi, de asemenea, utilizată pentru acoperiri de protecție a filelor (pulverizare de acoperiri polimerice rezistente la electroliți, cum ar fi PVDF și PTFE pe tablă de aluminiu și cupru pentru a preveni coroziunea și pentru a reduce rata de creștere a rezistenței interne), acoperiri anticorozive ale carcasei bateriei (îmbunătățirea rezistenței la pulverizarea sărată și la căldură umedă), colectorul de curent pentru straturi conductoare de colector de curent și substraturi adecvate pentru pulverizare, cum ar fi PET/PPI flexibile și substraturi adecvate pentru pulverizare. fabricarea celulelor ultra-subțiri.

II. Fabricarea celulelor de combustie

Ansamblul electrodului cu membrană (MEA) este nucleul unei celule de combustibil, iar calitatea de fabricație a acesteia determină în mod direct densitatea de putere, stabilitatea și durata de viață a celulei. Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete joacă un rol crucial în fabricarea celulelor de combustie.

1. Prepararea membranei acoperite cu catalizator (CCM).

Pulverizarea cu ultrasunete atomizează suspensia de catalizator (cum ar fi catalizatorul de platină-carbon) în picături mici, depunându-le cu precizie pe suprafața unei membrane de schimb de protoni (PEM) sau a unui strat de difuzie gazoasă (GDL) pentru a forma un strat de catalizator dens și uniform. Distribuția uniformă a dimensiunii picăturilor asigură o distribuție foarte consistentă a catalizatorului. Sistemele de pulverizare cu ultrasunete pot produce acoperiri de catalizator pe bază de carbon extrem de durabile, uniforme în timpul electrolizei în celulele de combustibil și electrolizoarele cu membrană schimbătoare de protoni (cum ar fi Nafion), fără a provoca umflarea sau deformarea membranei. Un sistem unic de încălzire cu vid menține membrana schimbătoare de protoni bine fixată și întinsă, prevenind umflarea în timpul pulverizării.

2. Utilizarea catalizatorului de metale prețioase îmbunătățită semnificativ

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete s-a dovedit că atinge rate extrem de ridicate de utilizare a platinei, de până la 90%, în producția MEA. Prin reducerea suprastropirii, șlamurile scumpe de catalizator pot fi salvate, reducând consumul de material cu până la 50%. Vibrațiile ultrasonice continue din interiorul duzei ultrasonice dispersează și descompun și particulele de suspensie aglomerate, maximizând astfel utilizarea particulelor funcționale. Această tehnologie este, de asemenea, potrivită pentru pulverizarea soluțiilor polimerice, cum ar fi lianții PTFE, pe GDL-uri (cum ar fi hârtia de carbon) pentru a spori hidrofilitatea sau hidrofobia în timpul electrolizei.

3. Depunere de gradient și scalabilitate cu mai multe duze

Prin tehnologia de pulverizare ultrasonică cu duză duală, catalizatorii Pt/C și ionomerii Nafion pot fi depuși independent, realizând un control precis asupra distribuției ionomerului. Un sistem de pulverizare echipat cu patru unități de duză cu ultrasunete poate asigura o rată de pulverizare a catalizatorului de aproximativ 0,8 metri pătrați pe oră, echivalent cu o producție anuală de 120.000 de ansambluri de electrozi cu membrană (MEA) (calculată la 250 cm²/electrod). Sistemul de dispersie și alimentare cu ultrasunete poate dispersa și furniza în mod continuu șlam de catalizator 24/7.

4. Pile de combustie cu oxid solid (SOFC) și producția de hidrogen prin electroliza apei

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete demonstrează, de asemenea, avantaje semnificative în prepararea straturilor de electroliți și electrozi în SOFC. În producția de hidrogen prin electroliza apei, echipamentele de pulverizare cu ultrasunete sunt utilizate pentru acoperirea electrolizoarelor cu hidrogen. Pulverizarea cu ultrasunete poate fi utilizată pentru a acoperi uniform materialele catalizatoare (cum ar fi platină și iridiu) pe electrozi pentru a îmbunătăți eficiența electrolizei. Această tehnologie a fost aplicată pe scară largă în procese cheie, cum ar fi pregătirea electrodului membranei celulei de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni, pulverizarea și transferul catalizatorului de producere a hidrogenului prin electroliza apei și pulverizarea cu soluție Nafion a stratului de difuzie de hârtie de carbon.

III. Fabricarea celulelor solare

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete devine un mijloc cheie de îmbunătățire a eficienței și de reducere a costurilor în domeniul celulelor solare -35.

1. Celule solare perovskite

Celulele solare perovskite sunt considerate un reprezentant remarcabil al următoarei generații de tehnologie ieftină a celulelor solare. În timp ce acoperirea prin centrifugare funcționează excelent în laborator, este potrivită numai pentru fabricarea dispozitivelor cu suprafețe mici și nu pentru dispozitive cu suprafețe mari. Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete poate atomiza soluția de precursor de perovskit în picături mici, obținând o acoperire uniformă la temperaturi scăzute. Picăturile obținute prin această metodă au dimensiuni uniforme și au energie cinetică inițială scăzută, evitând fenomenul de „stropire” și reducând eficient deșeurile de material, făcându-l o tehnologie foarte potrivită pentru fabricarea de pelicule subțiri pe suprafețe mari. Cercetările actuale au verificat compatibilitatea pulverizării cu ultrasunete pe diferite zone și tipuri de substrat: atingând o eficiență de 18,53% pe dispozitive rigide cu suprafețe mici și peste 16% eficiență a dispozitivului în celulele solare flexibile de perovskit cu suprafețe mici.

2. Celule solare cu peliculă subțire

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete s-a dovedit a fi de succes în depunerea diferitelor acoperiri funcționale pentru celulele solare cu peliculă subțire, inclusiv straturi antireflexive, acoperiri cu oxid conductiv transparent (TCO), straturi tampon, acoperiri PEDOT și straturi active. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskitul și DSC pot fi depuse folosind tehnologia de pulverizare umedă cu ultrasunete după ce au fost preparate în soluții sau suspensii. Folosind doar o fracțiune din costul echipamentelor CVD și de pulverizare, sistemele cu duze de atomizare cu ultrasunete reduc semnificativ costul celulelor solare cu peliculă subțire, asigurând în același timp o eficiență ridicată de conversie a celulelor. Acoperirile antireflexive pot îmbunătăți eficiența de generare a energiei a celulelor solare cu 3%-4%.

3. Acoperiri cu oxid conductiv transparent (TCO).

Straturile TCO sunt de obicei preparate folosind tehnologia de piroliză prin pulverizare cu ultrasunete. Materialele pulverizate includ ITO, ZnO (dopat cu Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanotuburi de carbon, nanofire de argint și grafen. Duzele cu ultrasunete oferă avantaje semnificative în depunerea nanomaterialelor datorită capacității lor de a dispersa particulele în suspensie în timpul atomizării.

III. Fabricarea celulelor solare

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete devine o metodă cheie pentru îmbunătățirea eficienței și reducerea costurilor în domeniul celulelor solare.

1. Celule solare perovskite

Celulele solare perovskite sunt considerate reprezentanți excepționali ai tehnologiei de celule solare low-cost de ultimă generație. În timp ce acoperirea prin centrifugare funcționează excelent în laborator, este potrivită numai pentru fabricarea dispozitivelor cu suprafețe mici și nu pentru dispozitive cu suprafețe mari. Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete poate atomiza soluțiile precursoare de perovskit în picături mici, obținând o acoperire uniformă la temperaturi scăzute. Această metodă produce picături de dimensiune uniformă și energie cinetică inițială scăzută, evitând „stropirea” și reducând eficient deșeurile de material, făcându-l o tehnologie foarte potrivită pentru fabricarea de pelicule subțiri pe suprafețe mari. Cercetările actuale au verificat compatibilitatea pulverizării cu ultrasunete pe diferite zone și tipuri de substrat: atingând o eficiență de 18,53% pe dispozitive rigide cu suprafețe mici și peste 16% eficiență a dispozitivului în celulele solare flexibile de perovskit cu suprafețe mici.

2. Celule solare cu peliculă subțire

Tehnologia de pulverizare cu ultrasunete s-a dovedit a fi de succes în depunerea diferitelor acoperiri funcționale pentru celulele solare cu peliculă subțire, inclusiv straturi antireflexive, acoperiri cu oxid conductiv transparent (TCO), straturi tampon, acoperiri PEDOT și straturi active. OPV, CIGS, CdTe, CZT, perovskitul și DSC pot fi depuse folosind tehnologia de pulverizare umedă cu ultrasunete după ce au fost preparate în soluții sau suspensii. Folosind doar o fracțiune din costul echipamentelor CVD și de pulverizare, sistemele cu duze de atomizare cu ultrasunete reduc semnificativ costul celulelor solare cu peliculă subțire, asigurând în același timp o eficiență ridicată de conversie a celulelor. Acoperirile antireflexive pot îmbunătăți eficiența de generare a energiei a celulelor solare cu 3%-4%.

3. Acoperiri cu oxid conductiv transparent (TCO).

Straturile TCO sunt de obicei preparate folosind tehnologia de piroliză prin pulverizare cu ultrasunete. Materialele pulverizate includ ITO, ZnO (dopat cu Ga, Al, In), CdO, SnO₂, nanotuburi de carbon, nanofire de argint și grafen. Duzele cu ultrasunete oferă avantaje semnificative în depunerea acestor nanomateriale datorită capacității lor de a dispersa particulele în suspensie în timpul atomizării.

În rezumat, tehnologia de pulverizare prin pulverizare cu ultrasunete, cu precizie ridicată, uniformitate ridicată, utilizare ridicată a materialului și compatibilitate cu substraturile fragile, a devenit un proces cheie indispensabil în noul domeniu de producție a energiei. De la acoperirea cu electrozi și membrane pentru bateriile litiu-ion până la pregătirea cu precizie a straturilor de catalizator pentru celulele de combustie, depunerea de straturi funcționale în celulele solare și domenii emergente, cum ar fi supercondensatorii și electroliza apei pentru producția de hidrogen, această tehnologie conduce în mod cuprinzător noua industrie energetică către o mai mare eficiență, precizie și durabilitate. Cu o iterație tehnologică continuă și o optimizare suplimentară a costurilor, pulverizarea cu ultrasunete va juca un rol și mai important în tranziția energetică globală.