Electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas

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.