Questo approccio fornisce l'applicazione delle nanoparticelle nelle batterie di alimentazione per veicoli elettrici e lo schema del processo FB-ALD assistito da vibrazioni ultrasoniche. La vibrazione ultrasonica può rompere i grandi agglomerati, il che facilita la diffusione del precursore e migliora l'efficienza complessiva del rivestimento delle particelle. Credito:Zoushuang Li et al.
La modifica della superficie delle micro-nanoparticelle su scala atomica e quasi atomica è di grande importanza per le loro applicazioni in una varietà di campi, come l'accumulo di energia, la catalisi, i sensori e la biomedicina. Per soddisfare i requisiti del settore in queste aree, è urgente sviluppare la produzione ad alto volume di rivestimenti atomicamente precisi su materiali particolati. Come metodo di produzione estremo avanzato, la deposizione di strati atomici (ALD) è un metodo di deposizione di film sottile che offre film senza fori con un controllo preciso dello spessore a livello di angstrom e un'eccezionale omogeneità su strutture complesse. L'ALD a letto fluido (FB-ALD) ha mostrato un grande potenziale in film atomicamente ultrasottili su grandi quantità di particelle.
In un nuovo articolo pubblicato sull'International Journal of Extreme Manufacturing , un team di ricercatori, guidato dal Prof. Rong Chen dello State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Cina, ha studiato in modo completo l'effetto delle vibrazioni ultrasoniche sul idrodinamica e comportamento di agglomerazione delle particelle in un reattore FB-ALD tramite simulazione CFD-DEM. Per caratterizzare la qualità della fluidizzazione vengono presentate le perdite di carico e le espansioni del letto, l'energia cinetica turbolenta del fluido, la distribuzione delle velocità delle particelle e della frazione di volume solido, nonché le dimensioni degli agglomerati. Vengono studiate diverse ampiezze e frequenze delle vibrazioni ultrasoniche per trovare le condizioni ottimali per migliorare la qualità della fluidizzazione e l'efficienza del rivestimento del processo FB-ALD.
Per studiare l'effetto della vibrazione ultrasonica sui comportamenti generali di fluidizzazione, una tipica vibrazione ultrasonica con una frequenza di 20 kHz e un'ampiezza di 20 µm viene applicata all'FB dopo che la fluidificazione ha raggiunto uno stato stazionario. Con l'induzione della vibrazione ultrasonica, la velocità delle particelle vicino alla parete vibrante aumenta immediatamente. Anche il numero di particelle ad alta velocità aumenta, portando a più collisioni particella-particella. Inoltre, l'altezza del letto aumenta gradualmente con l'aumentare del tempo, il che implica che la vibrazione ultrasonica può promuovere efficacemente la dispersione delle particelle. Inoltre, la canalizzazione è ridotta anche dal campo ultrasonico. Questi miglioramenti dei comportamenti di fluidizzazione sono vantaggiosi per il processo di rivestimento delle particelle, poiché le molecole precursori possono diffondersi più velocemente e in modo più uniforme negli agglomerati, aumentando così l'efficienza complessiva del rivestimento.
Il movimento fluido turbolento è il motivo principale per cui le particelle ottengono un movimento casuale e l'energia cinetica della turbolenza è il fattore chiave per valutare l'energia di rottura per gli agglomerati di particelle. Senza la vibrazione ultrasonica, l'energia cinetica della turbolenza è piuttosto piccola e rimane invariata. Tuttavia, una volta applicata la vibrazione ultrasonica, l'energia cinetica della turbolenza massima aumenta notevolmente. È dimostrato che l'energia cinetica massima della turbolenza aumenta con l'aumentare della frequenza o dell'ampiezza.
Vengono inoltre effettuate caratterizzazioni del numero di coordinazione e della distribuzione dimensionale degli agglomerati per tutti i casi per indagare quantitativamente i comportamenti di agglomerazione e rottura delle particelle. Quando la frequenza ultrasonica è impostata su 20 kHz, l'effetto di de-agglomerazione del campo ultrasonico aumenta con l'ampiezza degli ultrasuoni. Quando la frequenza ultrasonica aumenta da 10 kHz a 20 kHz, la probabilità per gli agglomerati formati da due particelle primarie aumenta rapidamente, mentre gli agglomerati formati da tre a dieci particelle primarie diminuiscono tutti. Ciò indica che la vibrazione ultrasonica con la frequenza di 20 kHz può rompere ulteriormente i piccoli agglomerati nel più piccolo agglomerato o persino in singole particelle.
Per verificare i risultati della simulazione, sono stati condotti esperimenti di rivestimento comparativo con il reattore FB-ALD assistito da vibrazioni ultrasoniche su particelle NCM811, che possono offrire un'elevata densità di energia nelle batterie agli ioni di litio per autoveicoli (LIB). Le immagini SEM delle nanoparticelle rivestite mostrano anche che le particelle nell'FB-ALD assistito da vibrazioni ultrasoniche sono state efficacemente disperse, portando a strati più conformi e una maggiore efficienza del rivestimento. I dati sperimentali concordano bene con i risultati della simulazione, che ha verificato l'efficacia del modello dinamico multiscala CFD-DEM.
La professoressa Chen Rong e altri ricercatori del suo gruppo hanno risposto a domande su diversi punti chiave durante l'esecuzione della tecnologia FB-ALD assistita da vibrazioni ultrasoniche:
L'attuale modello CFD-DEM di FB con una dimensione di pochi millimetri è sufficientemente preciso per prevedere i comportamenti delle particelle in un reattore FB-ALD assistito da vibrazioni ultrasoniche?
"Sebbene l'attuale modello CFD-DEM multiscala copra solo scale dai semplici agglomerati all'FB con una dimensione di pochi millimetri, ha rivelato con successo l'agglomerazione delle particelle e i comportamenti di rottura con l'assistenza ultrasonica. Con lo sviluppo della teoria multiscala e computazionale scienza, si ritiene che questo modello sia ulteriormente sviluppato per una migliore indagine dalla scala di laboratorio alla scala di produzione."
In che modo la vibrazione ultrasonica influenza la rottura dell'agglomerato? È sempre meglio usare frequenze ultrasoniche più alte?
"Esiste un valore critico della frequenza ultrasonica. Quando il valore ultrasonico è inferiore al valore critico, la velocità media delle particelle e la dimensione dell'agglomerato aumentano all'aumentare della frequenza ultrasonica. Tuttavia, quando la frequenza ultrasonica supera questo valore critico (ad es. 40 kHz) le particelle iniziano ad agglomerarsi vicino alla parete vibrante."
Quali aspetti dovremmo considerare quando ottimizziamo i parametri di processo o progettiamo il reattore FB-ALD a vibrazione ultrasonica per il rivestimento di grandi quantità di nanoparticelle?
"La selezione delle frequenze o delle ampiezze ultrasoniche dipende da molti fattori, come la pressione del reattore, le forze coesive interparticellari equivalenti, nonché la distribuzione delle dimensioni delle particelle nell'intero FB. Per la progettazione ottimale del reattore, la conoscenza dei campi adiacenti come l'idromeccanica e l'ingegneria meccanica è ulteriormente richiesta."
I ricercatori hanno suggerito che vari tipi di materiali particolati trarranno grandi benefici dalla tecnologia FB-ALD assistita da vibrazioni ultrasoniche. L'assistenza della vibrazione ultrasonica può accelerare efficacemente la velocità del fluido e delle particelle vicino alla parete vibrante. La migliore qualità di fluidizzazione delle nanoparticelle è inoltre destinata a facilitare il trasferimento di calore e la diffusione dei precursori nell'intero reattore FB-ALD e negli agglomerati, il che può migliorare ampiamente l'efficienza del rivestimento. + Esplora ulteriormente
