Zink-Schwamm-Batterieelektroden, die Dendriten unterdrücken

Dieses Protokoll bietet eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung einer Zinkelektrode, die Dendriten unterdrückt, wenn sie in einer Alkalibatterie zyklisch betrieben wird. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass man die Struktur der Zinkelektrode leicht abstimmen kann, indem man die Größe der Zinkpartikel, die Art der Herkunft und ihre Größe oder das Wärmebehandlungsprotokoll ändert. Der mit diesem Protokoll hergestellte Metallschwamm fällt in die relative Dichte und Zellgröße, die mit Standardmethoden zur Herstellung von Metallschaum schwer zu erreichen sein können.

Beginnen Sie damit, 2,054 Milliliter entionisiertes Wasser und 4,565 Milliliter Decan in ein 100-Milliliter-Glasbecherglas zu geben. Lösen Sie dann 0,1 Gramm SDS durch Rühren der Lösung auf. Geben Sie anschließend fünf Milligramm wasserlösliches CMC-Natriumsalz mit mittlerer Viskosität in das Becherglas und rühren Sie fünf Minuten lang oder bis es sich aufgelöst hat.

Verwenden Sie Kunststoff oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge, da eine metallische Oberfläche die entstehenden Zinkschwämme beeinträchtigen kann. 0,844 Gramm wasserunlösliches, vorgequollenes Carboxymethylcelluloseharz in das Becherglas geben und umrühren. Halten Sie den Becher auf ein Überkopfrührer, das mit einem Kunststoffpaddel ausgestattet ist, und rühren Sie die gesamte Mischung fünf Minuten lang bei 1.000 U/min.

Fügen Sie 50 Gramm Zinkpulver hinzu und rühren Sie weitere fünf Minuten weiter. Stoppen Sie nach fünf Minuten den Rührer und entfernen Sie den Becher. Stellen Sie das Becherglas fünf Minuten lang bei Raumtemperatur in einen Exsikkator, um das Gemisch und seinen Inhalt unter Vakuum auszustoßen.

Portionieren Sie die Zinkpaste in Polypropylenformen mit einem Durchmesser von etwa 10 Millimetern und einer Höhe von fünf Millimetern, um die Paste über Nacht an der Luft trocknen zu lassen. Entfernen Sie nach dem Trocknen vorsichtig die Zinkpaste aus den Formen und legen Sie sie in ein Netzgehäuse, das auf einem gekerbten Aluminiumoxidhalter ruht. Platzieren Sie die Baugruppe in einem Rohrofen mit Anschlüssen, um das Gas in das Rohr hinein und aus ihm heraus zu strömen.

Leiten Sie Stickstoffgas 30 Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 5,7 Zentimetern pro Minute in den Ofen, um den Ofen von Luft zu reinigen. Nach 30 Minuten Spülen drosseln Sie das Stickstoffgas auf eine konstante Geschwindigkeit von 2,8 Zentimetern pro Minute. Programmieren Sie die Temperatur des Ofens so, dass sie im Laufe von 68 Minuten linear von 20 auf 369 Grad Celsius ansteigt, fünf Stunden lang bei 369 Grad Celsius hält, im Laufe von 105 Minuten linear von 369 auf 584 Grad Celsius ansteigt und sich dann ausschaltet.

Starten Sie das Ofenprogramm, während der Stickstoff weiter fließt. Stoppen Sie den Stickstoffgasfluss manuell nach den fünf Stunden Temperaturhaltung und leiten Sie Atemluft mit 2,8 Zentimetern pro Minute ein. Lassen Sie den Ofen nach dem Stoppen des Heizprogramms auf Raumtemperatur abkühlen und lassen Sie die Atemluft strömen.

Zum Schluss entfernen Sie die abgekühlten Zinkschwämme und sägen oder schleifen diese entweder auf die gewünschten Maße. Geben Sie 10,5 Milliliter entionisiertes Wasser in ein 100-Milliliter-Glasbecherglas. Dann 0,12 Gramm wasserlösliches, hochviskoses Zellulosegummi hinzufügen und mit einem kunststoffbeschichteten Rührwerkzeug umrühren.

Wirbeln Sie diese Mischung ein und rühren Sie sie von Hand fünf Minuten lang oder bis sich der Zellulosegummi aufgelöst hat. Fügen Sie 2,4 Gramm Maisstärke hinzu, während Sie den Becher zwei Minuten lang vortexen, und fügen Sie dann 120 Gramm vorbereitetes Zinkpulver hinzu, während Sie weitere zwei Minuten vortexen. Anschließend wird die entstandene Zinkpaste in die gewünschten Formhohlräume gepresst und über Nacht bei 70 Grad Celsius an der frischen Luft in einem Ofen trocknen gelassen.

Entfernen Sie nach dem Trocknen vorsichtig die Zinkpaste aus den Formen und legen Sie sie in ein Netzgehäuse, das auf einem gekerbten Aluminiumoxidhalter ruht. Platzieren Sie die Baugruppe in einem Rohrofen mit Anschlüssen, um das Gas in das Rohr hinein und aus ihm heraus zu strömen. Leiten Sie Stickstoffgas 30 Minuten lang mit einer Geschwindigkeit von 5,7 Zentimetern pro Minute in den Ofen, um den Ofen von Luft zu reinigen.

Nach 30 Minuten Spülen drosseln Sie das Stickstoffgas auf eine konstante Geschwindigkeit von 2,8 Zentimetern pro Minute. Programmieren Sie die Temperatur des Ofens so, dass sie im Laufe von 68 Minuten linear von 20 auf 369 Grad Celsius ansteigt, fünf Stunden lang bei 369 Grad Celsius hält, im Laufe von 105 Minuten linear von 369 auf 584 Grad Celsius ansteigt und sich dann ausschaltet. Starten Sie das Ofenprogramm, während der Stickstoff weiter fließt.

Nach fünf Stunden Temperaturhaltung stoppen Sie den Stickstoffgasfluss manuell und lassen Sie Atemluft mit 2,8 Zentimetern pro Minute einströmen. Lassen Sie den Ofen auf Raumtemperatur abkühlen, sobald das Heizprogramm stoppt, während die Atemluft weiter strömt. Zum Schluss entfernen Sie die abgekühlten Zinkschwämme und sägen oder schleifen diese auf die gewünschten Maße.

Dieses Protokoll wurde verwendet, um emulsionsbasierte Zinkschwämme mit einer Dichte von 2,8 Gramm pro Kubikzentimeter und wässrige Schwämme mit einer Dichte von 3,3 Gramm pro Kubikzentimeter herzustellen. Die Zinkschwämme sollten steif und spröde sein. Ihre Querschnitte sollten ähnlich wie die hier gezeigten aussehen.

Alle Eigenschaften der resultierenden Zinkschwämme sollten innerhalb der im Textmanuskript angegebenen Bereiche liegen. Die Zinkschwammelektrode zeigt eine Zyklenstabilität bei einer gravimetrischen Kapazität von 328 Milliamperestunden pro Gramm Zink, was einer Entladetiefe von 43 % entspricht. Nach umfangreichen elektrochemischen Zyklen der konstruierten Zinkelektroden zur Abschätzung ihres Wirkungsgrads wurden in rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der Zinkschwammelektroden keine Dendriten beobachtet.

Die Oberfläche des Zinkschwamms erfährt während des Radfahrens eine Umstrukturierung. Je tiefer der Ausfluss und je länger die Lebensdauer, desto größer ist der Umfang der Umstrukturierung. Wenn Sie dieses Protokoll versuchen, denken Sie daran, die Mischung mit einem kunststoffbeschichteten Werkzeug umzurühren.

Ähnliche Herstellungsverfahren könnten verwendet werden, um andere Arten von Metallschäumen auf der Basis verschiedener Metalle für zahlreiche Anwendungen herzustellen.