Name: Electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Aprende a fabricar electrodos de esponja de zinc de bajo coste que suprimen la formación de dendritas en baterías alcalinas. Este método permite ajustar la estructura del electrodo modificando el tamaño de partícula y el tratamiento térmico.

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Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos.

1. Un método basado en emulsión para crear electrodos de esponja de Zn
<ol><li>Añadir 2.054 mL de agua desionizada a un vaso de precipitados de vidrio de 100 mL.</li>
	<li>Añadir 4.565 mL de decano al beaker.</li>
	<li>Agregue 0.1000 ± 0.0003 g de dodecil sulfato de sodio (SDS) hasta que se disuelva.</li>
	<li>Agregue 0.0050 ± 0.0003 g de sal de sodio de viscosidad media soluble en agua carboximetilcelulosa (CMC) a mano durante 5 minutos o hasta que el CMC se disuelva por completo. NOTA: Use herramientas de agitación de plástico o recubiertas de plástico. Agitar con herramientas con una superficie metálica puede afectar negativamente a las esponjas de Zn resultantes.</li>
	<li>Agregue 0.844 ± 0.002 g de resina de carboximetilcelulosa presolénica insoluble en agua. NOTA: Este tipo de resina insoluble en agua es cara (USD$420 kg–1)6.</li>
	<li>Revuelva esta mezcla a 1.000 rpm durante 5 minutos utilizando un agitador de paletas superior equipado con una paleta de plástico.</li>
	<li>Vierta 50 g de polvo de Zn (tamaño medio de partícula de 50 μm, que contiene 307 ppm de bismuto y 307 ppm de indio para la supresión de la corrosión) en el beaker mientras el agitador superior continúa girando a 1.000 rpm.</li>
	<li>Continúe revolviendo la pasta de Zn durante 5 minutos adicionales a la misma velocidad, 1,000 rpm.</li>
	<li>Detenga el agitador, retire el beaker y desgasifante la mezcla colocando el beaker y su contenido al vacío durante 5 minutos en un desecador a temperatura ambiente.</li>
	<li>Divida la pasta de Zn en moldes de polipropileno (~ 10 mm de diámetro y ~ 5 mm de altura) y déjelos secar al aire libre durante la noche. La forma del molde dicta la forma de la pasta seca y las esponjas de Zn resultantes. NOTA: El tamaño y la forma del molde pueden variar. Experimentos anteriores5 utilizaron con éxito moldes cilíndricos con diámetros cercanos a los 10 mm. Llene la pasta de Zn hasta una altura de 5 mm o menos. Cuanto más corta sea la altura, menor será el tiempo de secado requerido. Consulte la Tabla de materiales para los moldes disponibles comercialmente.</li>
	<li>Retire con cuidado las preformas secas de pasta de Zn de los moldes y colóquelas en una carcasa de malla que descanse sobre un soporte de alúmina con muescas5,6. NOTA: Fabrique la carcasa de malla, por ejemplo, doblando una lámina de latón perforado en un cilindro con un diámetro que sea ligeramente mayor que el diámetro deseado del electrodo de esponja Zn. Rocíe la lámina de metal perforado con lubricante de nitruro de boro después de doblarse en la forma deseada.</li>
	<li>Coloque el conjunto en un horno de tubos (67 mm de diámetro) con puertos para que el gas fluya dentro y fuera del tubo. NOTA: Utilice un puerto (el puerto de entrada) para canalizar el gas al horno. Use el otro (el puerto de salida) para ventilar el gas del horno de tubos en una campana extractora de humos.</li>
	<li>Canalizar gas N2 en el horno durante 30 min a una velocidad de 5,7 cm∙min–1 para purgar el horno de aire. NOTA: El paso 1.13 se puede lograr conectando un tanque de gas N2 con un medidor de flujo controlado digitalmente a un tubo conectado a uno de los puertos de entrada. Los medidores de flujo de gas se pueden controlar manualmente o mediante una computadora.</li>
	<li>Estrangule el gasN 2 a una velocidad constante de 2,8 cm∙min–1 después de la purga de 30 min.</li>
	<li>Programe el horno para que aumente la temperatura linealmente de 20 a 369 ° C en el transcurso de 68 minutos, manténgase a 369 ° C durante 5 h, aumente linealmente de 369 a 584 ° C en el transcurso de 105 minutos y luego apague.</li>
	<li>Inicie el programa del horno mientras el gas N2 continúa fluyendo.</li>
	<li>Detenga manualmente el flujo de gas N2después de la retención de temperatura de 5 h y la tubería en el aire respirable a 2,8 cm∙min–1. NOTA: El paso 1.17 se puede lograr conectando un tanque de aire respirado (no aire sintético) con un medidor de flujo controlado digitalmente a un tubo conectado a un puerto de entrada adicional.</li>
	<li>Una vez que se detenga el programa de calentamiento, deje que el horno se enfríe a temperatura ambiente sin enfriamiento activo, pero mantenga el flujo de aire respirable.</li>
	<li>Retire las esponjas de Zn enfriadas y las vio y / o lijarlas a las dimensiones deseadas. NOTA: Se puede utilizar una variedad de herramientas de aserrado, como sierras rotativas de mano o sierras de cinta verticales. Las cuchillas abrasivas o de diamante son apropiadas.</li>
</ol>2. Un método basado en la acuosa para crear electrodos de esponja de Zn
<ol><li>Agregue 10.5 ml de agua desionizada a un vaso de precipitados de vidrio de 100 ml.</li>
	<li>Agregue 0.120 ± 0.001 g de goma de celulosa de alta viscosidad soluble en agua, también conocida como sal de sodio de carboximetilcelulosa (CMC). NOTA: Use herramientas de agitación de plástico o recubiertas de plástico. Agitar con herramientas con una superficie metálica puede afectar negativamente a las esponjas de Zn resultantes.</li>
	<li>Vórtice y revuelva esta mezcla a mano durante 5 minutos o hasta que el CMC se disuelva.</li>
	<li>Agregue 2.400 ± 0.001 g de almidón de maíz mientras vórtice durante 2 minutos adicionales.</li>
	<li>Agregue 120.00 ± 0.01 g de polvo de Zn (tamaño promedio de partícula de 50 μm, que contiene 307 ppm de bismuto y 307 ppm de indio para la supresión de la corrosión) mientras vórtice durante 2 minutos adicionales.</li>
	<li>Presione la pasta de Zn resultante en las cavidades de molde deseadas. NOTA: El tamaño y la forma del molde pueden variar. Experimentos anteriores6 utilizan con éxito moldes cilíndricos con diámetros cercanos a los 10 mm. Llene la pasta de Zn hasta una altura de 50 mm o menos. La pasta acuosa de Zn es más seca que la pasta de Zn de emulsión, por lo que la versión acuosa se puede utilizar para hacer esponjas más grandes que requieren menos tiempo de secado. Cuanto más corta sea la altura, menor será el tiempo de secado requerido. El molde debe poder partirse por la mitad a medida que la pasta acuosa de Zn se contrae mínimamente después del secado, a diferencia de la pasta de Zn en emulsión. La mantequilla sin sal se puede utilizar para lubricar los moldes antes de presionar en la pasta acuosa de Zn para ayudar en el desmoldeo. La Figura 1A muestra los moldes mecanizados a medida empaquetados con pasta de Zn siguiendo el protocolo basado en acuosa. La Figura 1B muestra la carcasa de malla hecha a mano, el soporte de alúmina con muescas y la esponja de Zn resultante hecha con el método de base acuosa.</li>
	<li>Deje que los moldes llenos de pasta de Zn se sequen durante la noche a 70 °C al aire libre en un horno.</li>
	<li>Siga los mismos pasos de manipulación y tratamiento térmico (1.11–1.19) descritos para el método basado en emulsiones.</li>
</ol>

<ol><li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Retaining+the+3D+Framework+of+Zinc+Sponge+Anodes+upon+Deep+Discharge+in+Zn-Air+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).</li>
<li>Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wiring+zinc+in+three+dimensions+re-writes+battery+performance-dendrite-free+cycling%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Environmental+Science%22%5BJournal%5D)">Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance-dendrite-free cycling.</a> Energy & Environmental Science. 7, 1117-1124 (2014).</li>
<li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rechargeable+nickel-3D+zinc+batteries%3A+An+energy-dense%2C+safer+alternative+to+lithium-ion%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion.</a> Science. 356 (6336), 415-418 (2017).</li>
<li>Ko, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+3D+Zn+sponges+enable+high-power%2C+energy-dense+alkaline+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Robust 3D Zn sponges enable high-power, energy-dense alkaline batteries.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (1), 212-216 (2018).</li>
<li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+architected+zinc+electrodes+with+unprecedented+volumetric+capacity+in+rechargeable+alkaline+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Storage+Materials%22%5BJournal%5D)">Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells.</a> Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).</li>
<li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-cost+green+synthesis+of+zinc+sponge+for+rechargeable%2C+sustainable+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Sustainable+Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries.</a> Sustainable Energy & Fuels. 4, 3363-3369 (2020).</li>
<li>Yufit, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operando+Visualization+and+Multi-scale+Tomography+Studies+of+Dendrite+Formation+and+Dissolution+in+Zinc+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">Operando Visualization and Multi-scale Tomography Studies of Dendrite Formation and Dissolution in Zinc Batteries.</a> Joule. 3 (2), 485-502 (2019).</li>
<li>Ashby, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAshby%2C+MF+%22Metal+Foams%3A+A+Design+Guide%22">Metal Foams: A Design Guide</a>. , Butterworth-Heinemann. Oxford. (2000).</li>
<li>Parker, J. F., Ko, J. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Translating+Materials-Level+Performance+into+Device-Relevant+Metrics+for+Zinc-Based+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">Translating Materials-Level Performance into Device-Relevant Metrics for Zinc-Based Batteries.</a> Joule. 2 (12), 2519-2527 (2018).</li>
<li>Hopkins, B. J., Chervin, C. N., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+areal-energy+standard+to+validate+air-breathing+electrodes+for+rechargeable+zinc-air+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">An areal-energy standard to validate air-breathing electrodes for rechargeable zinc-air batteries.</a> Advanced Energy Materials. 10 (30), 2001287(2020).</li>
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<li>Chamoun, M., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aChamoun%2C+M+%22NPG+Asia+Materials%22">NPG Asia Materials</a>. 7, 178(2015).</li>
<li>Kang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Porous+Copper+Skeleton+Supported+Zinc+Anode+toward+High+Capacity+and+Long+Cycle+Life+Zinc+Ion+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Sustainable+Chemistry+%26+Engineering%22%5BJournal%5D)">3D Porous Copper Skeleton Supported Zinc Anode toward High Capacity and Long Cycle Life Zinc Ion Batteries.</a> ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (3), 3364-3371 (2019).</li>
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<li>Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Monolithic+Nanoporous+Zn+Anode+for+Rechargeable+Alkaline+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries.</a> ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).</li>
<li>Drillet, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+Novel+Zinc%2FAir+Fuel+Cell+with+a+Zn+Foam+Anode%2C+a+PVA%2FKOH+Membrane+and+a+MnO2%2FSiOC-based+Air+Cathode%5BTitle%5D)+AND+%22ECS+Transactions%22%5BJournal%5D)">Development of a Novel Zinc/Air Fuel Cell with a Zn Foam Anode, a PVA/KOH Membrane and a MnO2/SiOC-based Air Cathode.</a> ECS Transactions. 28, 13-24 (2010).</li>
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<li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen-Substituted+Graphdiyne+Ion+Tunnels+Directing+Concentration+Redistribution+for+Commercial-Grate+Dendrite-Free+Zinc+Anodes%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes.</a> Advanced Materials. 32, 2001755(2020).</li>
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</ol>

J.F.P., D.R.R. y J.W.L. poseen patentes relacionadas con electrodos de zinc: patentes estadounidenses n.º 9802254, 10008711, 10720635 y 10763500, patente de la UE n.º 2926395 y patente de China n.º 104813521.

Las modificaciones y la solución de problemas asociadas con estos protocolos incluyen el llenado de la pasta de Zn recién mezclada en una cavidad de molde. Se debe tener cuidado para evitar las bolsas de aire. Los huecos no deseados se pueden disminuir golpeando el molde después del llenado o mientras se llena. Debido a que la pasta acuosa de Zn está seca, se puede aplicar presión directamente a la pasta de Zn para expulsar las bolsas de aire mientras se llena la cavidad del molde.
Una limitac...

El propósito de los métodos de fabricación reportados es crear electrodos de esponja de zinc (Zn) que supriman la formación de dendritas y el cambio de forma. Históricamente, estos problemas han limitado la vida útil del ciclo de las baterías de Zn. Los electrodos de esponja de zinc han resuelto estos problemas, permitiendo baterías de Zn con ciclos de vida útil máslargos 1,2,3,4,5,6. La estructura de la esponja suprime la formación de dendritas y el cambio de forma porque (1) el marco de Zn fusionado conecta eléctricamente todo el volumen de la esponja; (2) los poros contienen zincato cerca de la superficie de la esponja de Zn; y (3) la esponja tiene una alta área de superficie que disminuye la densidad de corriente local por debajo de los valores identificados para brotar dendritas en electrolitos alcalinos7. Sin embargo, si el área de superficie de la esponja es demasiado alta, se produce una corrosión sustancial5. Si los poros de la esponja son demasiado grandes, la esponja tendrá una capacidad volumétrica baja5. Además, si los poros de la esponja son demasiado pequeños, el electrodo de Zn no tendrá suficiente electrolito para acceder a Zn durante la descarga, lo que resulta en una baja potencia y capacidadde 5,6.
La razón detrás de los métodos de fabricación reportados es crear esponjas de Zn con porosidades de esponja y diámetros de poro apropiados. Experimentalmente, encontramos que las esponjas de Zn con porosidades del 50 al 70% y diámetros de poro cercanos a los 10 μm circulan bien en baterías de celda completa y muestran bajas tasas de corrosión5. Observamos que los métodos existentes para fabricar espumas metálicas comerciales no logran morfologías similares en estas escalas de longitud8,por lo que se necesitan los métodos de fabricación informados.
Las ventajas de los métodos reportados aquí sobre las alternativas se caracterizan por el control fino de las características de la esponja y por la capacidad de fabricar esponjas Zn grandes y densas con valores de capacidad areal tecnológicamente relevantes5,6,9,10. Los métodos alternativos para crear espumas de Zn pueden ser incapaces de crear poros comparables de 10 μm con porosidades de esponja cercanas al 50%. Sin embargo, tales alternativas pueden requerir menos energía para fabricar porque evitan los pasos de procesamiento a alta temperatura. Los procesos alternativos incluyen las siguientes estrategias: sinterización en frío de partículas de Zn11,depósito de Zn en estructuras huésped tridimensionales12,13,14,15,16,17,corte de lámina de Zn en espumas bidimensionales18y creación de espumas de Zn a través de la descomposición espinosa19 o la disolución de percolación20.
El contexto de los métodos reportados en el cuerpo más amplio de la literatura publicada se establece principalmente por el trabajo de Drillet et al.21. Adaptaron los métodos de fabricación de cerámica porosa para crear una de las primeras espumas de Zn tridimensionales, aunque frágiles, para baterías. Estos autores, sin embargo, no pudieron demostrar la recargabilidad, probablemente debido a la mala conectividad entre las partículas de Zn. Antes de los electrodos recargables de esponja de Zn, la mejor alternativa a un electrodo de lámina de Zn era un electrodo de polvo de Zn, en el que el polvo de Zn se mezcla con un electrolito de gel. Los electrodos de zinc-polvo se utilizan comercialmente en baterías alcalinas primarias (Zn-MnO2),pero tienen poca recargabilidad porque las partículas de Zn pasan por pasivado por óxido de Zn (ZnO), lo que puede aumentar la densidad de corriente local que estimula el crecimiento de la dendrita3,22. Observamos que existen otras estrategias de supresión de dendritas que no involucran arquitecturas de espuma o esponja23,24.
Los métodos de fabricación de esponjas de Zn reportados requieren un horno de tubos, fuentes de aire y gas nitrógeno(N 2)y una campana de humos. Todos los pasos se pueden realizar en un escritorio de laboratorio sin control ambiental, pero el escape del horno de tubos durante el tratamiento térmico debe canalizarse a una campana extractora de humos. Los electrodos resultantes son apropiados para aquellos interesados en crear electrodos de Zn recargables capaces de alta capacidad areal (> 10 mAh cmgeo–2)6.
El primer método de fabricación reportado es una ruta basada en emulsión para crear electrodos de esponja de Zn. La segunda, es una ruta de base acuosa. Una ventaja de la ruta de la emulsión es su capacidad para crear pasta de Zn que, cuando se seca, es fácil de demoldar de una cavidad de moho. Una desventaja es su dependencia de materiales caros. Para la ruta acuosa, las preformas de esponja pueden ser difíciles de demoldar, pero este proceso utiliza materiales baratos y abundantes.
Ambos métodos implican mezclar partículas de Zn con un agente porógeno y que mejora la viscosidad. La mezcla resultante se calienta bajo N 2 yluego respira aire (no aire sintético). Durante el calentamiento bajo N2, las partículas de Zn anneal y el porógeno se descompone; bajo la respiración de aire, las partículas de Zn recocido se fusionan y el porógeno se quema. Estos procesos producen espumas metálicas o esponjas. Las propiedades mecánicas y electroquímicas de las esponjas de Zn se pueden ajustar variando la relación de masa de Zn a porógeno, el tiempo de calentamiento bajo N2 y aire, y el tamaño y la forma de las partículas de Zn y porógeno.

<table><tbody><tr><td>Almidón de maíz</td><td>Argo</td><td>No aplicable</td><td>Actúa como un agente porogen y potenciador de la viscosidad.</td></tr><tr><td>Decane</td><td>MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>Viscosidad media Sal sódica de carboximetilcelulosa (CMC) soluble en agua</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>Este CMC actúa principalmente como un agente potenciador de la viscosidad.</td></tr><tr><td>Agitador aéreo</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Modelos cilíndricos pequeños para esponjas de Zn</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>Los tapones de los viales se pueden utilizar como moldes.</td></tr><tr><td>Dodecil sulfato de sodio</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>Insoluble en agua IonSep CMC 52 resina de carboximetilcelulosa prehinchada</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>Este CMC actúa como agente porogénico y potenciador de la viscosidad.</td></tr><tr><td>Polvo de Zn</td><td>EverZinc</td><td>Pedido</td><td></td> personalizado</tr></tbody></table>

electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

Informamos dos métodos para crear electrodos de esponja de zinc que suprimen la formación de dendritas y el cambio de forma para baterías de zinc recargables. Ambos métodos se caracterizan por crear una pasta hecha de partículas de zinc, porógeno orgánico y agente que mejora la viscosidad que se calienta bajo un gas inerte y luego aire. Durante el calentamiento bajo el gas inerte, las partículas de zinc se annean juntas y el porógeno se descompone; bajo el aire, el zinc se fusiona y el residuo orgánico se quema, produciendo una espuma o esponja metálica de celda abierta. Ajustamos las propiedades mecánicas y electroquímicas de las esponjas de zinc variando la relación de masa de zinc a porógeno, el tiempo de calentamiento bajo gas inerte y aire, y el tamaño y la forma de las partículas de zinc y porógeno. Una ventaja de los métodos reportados es su capacidad para ajustar finamente la arquitectura de esponja de zinc. El tamaño y la forma seleccionados de las partículas de zinc y porógeno influyen en la morfología de la estructura de los poros. Una limitación es que las esponjas resultantes tienen estructuras de poros desordenadas que resultan en una baja resistencia mecánica a fracciones de bajo volumen de zinc (<30%). Las aplicaciones para estos electrodos de esponja de zinc incluyen baterías para almacenamiento en red, electrónica personal, vehículos eléctricos y aviación eléctrica. Los usuarios pueden esperar que los electrodos de esponja de zinc ciclan hasta un 40% de profundidad de descarga a velocidades tecnológicamente relevantes y capacidades areales sin la formación de dendritas separadoras-perforantes.

Las esponjas de Zn resultantes, totalmente tratadas térmicamente, a base de emulsión tienen densidades de 2,8 g∙cm–3, mientras que las esponjas de base acuosa se acercan a 3,3 g∙cm–3. Durante el calentamiento del aire, se forma una capa de ZnO en las superficies de Zn, que debe tener un espesor de 0,5 a 1,0 μm (observado mediante microscopía electrónica de barrido)5. El sólido en las esponjas resultantes debe ser 72% Zn (versión de emulsión) o 78% de Zn (versión acuosa) y el ...

El objetivo de los protocolos reportados es crear electrodos recargables de esponja de zinc que supriman las dendritas y el cambio de forma en las baterías de zinc, como el níquel-zinc o el zinc-aire.

Electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas

We report two methods to create zinc-sponge electrodes that suppress dendrite formation and shape change for rechargeable zinc batteries. Both methods are ...

Este protocolo proporciona un método fácil y de bajo costo para crear un electrodo de zinc que suprime las dendritas cuando se cicla en una batería alcalina. La principal ventaja de esta técnica es que se puede ajustar fácilmente la estructura del electrodo de zinc cambiando el tamaño de partícula de zinc, el tipo de origen y su tamaño, o el protocolo de tratamiento térmico. La esponja metálica creada con este protocolo se encuentra en la densidad relativa y el tamaño de la celda que pueden ser difíciles de lograr con los métodos estándar de fabricación de espuma metálica.Comience agregando 2.054 mililitros de agua desionizada y 4.565 mililitros de decano a un vaso de precipitados de vidrio de 100 mililitros. A continuación, disuelva 0,1 gramos de SDS agitando la solución. A continuación, añada cinco miligramos de sal sódica CMC de viscosidad media soluble en agua al vaso de precipitados y remueva durante cinco minutos o hasta que se disuelva.Utilice herramientas de agitación de plástico o recubiertas de plástico porque una superficie metálica puede afectar negativamente a las esponjas de zinc resultantes. Añada y remueva 0,844 gramos de resina de carboximetilcelulosa prehinchada insoluble en agua al vaso de precipitados. Mantenga el vaso de precipitados en un agitador de paleta superior equipado con una paleta de plástico y revuelva toda la mezcla a 1.000 rpm durante cinco minutos.Agregue 50 gramos de zinc en polvo y continúe revolviendo durante cinco minutos más. Después de cinco minutos, detenga el agitador y retire el vaso de precipitados. Coloque el vaso de precipitados en un desecador durante cinco minutos a temperatura ambiente para desechar la mezcla y su contenido al vacío.Divida la pasta de zinc en moldes de polipropileno de aproximadamente 10 milímetros de diámetro y cinco milímetros de altura para secar la pasta al aire durante la noche. Después del secado, retire con cuidado la pasta de zinc de los moldes y colóquelos en una carcasa de malla que descansa sobre un soporte de alúmina con muescas. Coloque el conjunto en un horno tubular con puertos para que el gas fluya dentro y fuera del tubo.Introduzca el gas nitrógeno en el horno durante 30 minutos a una velocidad de 5,7 centímetros por minuto para purgar el aire del horno. Después de 30 minutos de purga, acelere el gas nitrógeno a una velocidad constante de 2,8 centímetros por minuto. Programe la temperatura del horno para que aumente linealmente de 20 a 369 grados Celsius en el transcurso de 68 minutos, manténgala a 369 grados Celsius durante cinco horas, aumente linealmente de 369 a 584 grados Celsius en el transcurso de 105 minutos y luego apáguela.Inicie el programa del horno a medida que el nitrógeno continúa fluyendo. Detenga el flujo de gas nitrógeno manualmente después de las cinco horas de mantenimiento de temperatura y canalice el aire respirable a 2,8 centímetros por minuto. Deje que el horno se enfríe a temperatura ambiente una vez que se detenga el programa de calentamiento mientras mantiene el flujo de aire respirable.Finalmente, retire las esponjas de zinc enfriadas y aserrarlas o lijarlas hasta obtener las dimensiones deseadas. Agregue 10,5 mililitros de agua desionizada a un vaso de precipitados de vidrio de 100 mililitros. A continuación, añada 0,12 gramos de goma de celulosa soluble en agua y de alta viscosidad y remueva con una herramienta de agitación recubierta de plástico.Agite esta mezcla a mano durante cinco minutos o hasta que la goma de celulosa se disuelva. Agregue 2,4 gramos de almidón de maíz mientras agita el vaso de precipitados durante dos minutos y luego agregue 120 gramos de polvo de zinc preparado mientras agita en vórtice durante dos minutos adicionales. Una vez hecho esto, presione la pasta de zinc resultante en las cavidades del molde deseadas y déjelas secar durante la noche a 70 grados centígrados al aire libre en un horno.Después del secado, retire con cuidado la pasta de zinc de los moldes y colóquelos en una carcasa de malla que descansa sobre un soporte de alúmina con muescas. Coloque el conjunto en un horno tubular con puertos para que el gas fluya dentro y fuera del tubo. Introduzca el gas nitrógeno en el horno durante 30 minutos a una velocidad de 5,7 centímetros por minuto para purgar el aire del horno.Después de 30 minutos de purga, acelere el gas nitrógeno a una velocidad constante de 2,8 centímetros por minuto. Programe la temperatura del horno para que aumente linealmente de 20 a 369 grados Celsius en el transcurso de 68 minutos, manténgala a 369 grados Celsius durante cinco horas, aumente linealmente de 369 a 584 grados Celsius en el transcurso de 105 minutos y luego apáguela. Inicie el programa del horno a medida que el nitrógeno continúa fluyendo.Después de cinco horas de mantenimiento de la temperatura, detenga el flujo de gas nitrógeno manualmente y canalice el aire respirable a 2,8 centímetros por minuto. Deje que el horno se enfríe a temperatura ambiente una vez que se detenga el programa de calentamiento mientras mantiene el flujo de aire respirable. Finalmente, retire las esponjas de zinc enfriadas y serre o líjelas hasta obtener las dimensiones deseadas.Este protocolo se utilizó para producir esponjas de zinc a base de emulsión con densidades de 2,8 gramos por centímetro cúbico y esponjas a base acuosa con densidades de 3,3 gramos por centímetro cúbico. Las esponjas de zinc deben ser rígidas y quebradizas. Sus secciones transversales deben ser similares a las que se muestran aquí.Todas las propiedades de las esponjas de zinc resultantes deben estar dentro de los rangos proporcionados en el manuscrito del texto. El electrodo de esponja de zinc muestra una estabilidad de ciclo a una capacidad gravimétrica de 328 miliamperios hora por gramo de zinc, lo que se corresponde con una profundidad de descarga del 43%. Después de un extenso ciclo electroquímico de los electrodos de zinc construidos para estimar su eficiencia, no se observaron dendritas en las micrografías electrónicas de barrido de los electrodos de esponja de zinc.La superficie de la esponja de zinc se reestructura durante el ciclado. Cuanto más profundo sea el nivel de vertido y mayor sea el ciclo de vida, mayor será la cantidad de reestructuración. Cuando intente este protocolo, recuerde remover la mezcla con una herramienta recubierta de plástico.Se podrían utilizar procesos de fabricación similares para crear otros tipos de espumas metálicas basadas en diferentes metales para numerosas aplicaciones.

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Research

Investigación

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Chemistry

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Electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas

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