Électrodes de batterie zinc-éponge qui suppriment les dendrites

Ce protocole fournit une méthode simple et peu coûteuse pour créer une électrode de zinc qui supprime les dendrites lorsqu’elle est cyclée dans une pile alcaline. Le principal avantage de cette technique est que l’on peut facilement ajuster la structure de l’électrode de zinc en modifiant la taille des particules de zinc, le type d’origine et sa taille, ou le protocole de traitement thermique. L’éponge métallique créée à l’aide de ce protocole se situe dans la densité relative et la taille des cellules qui peuvent être difficiles à atteindre en utilisant les méthodes de fabrication standard de mousse métallique.

Commencez par ajouter 2,054 millilitres d’eau déminéralisée et 4,565 millilitres de décane à un bécher en verre de 100 millilitres. Dissoudre ensuite 0,1 gramme de SDS en remuant la solution. Ensuite, ajoutez cinq milligrammes de sel de sodium CMC soluble dans l’eau dans le bécher et remuez pendant cinq minutes ou jusqu’à ce qu’il soit dissous.

Utilisez des outils d’agitation en plastique ou recouverts de plastique, car une surface métallique peut nuire aux éponges de zinc résultantes. Ajoutez et mélangez 0,844 gramme de résine de carboxyméthylcellulose pré-gonflée insoluble dans l’eau dans le bécher. Gardez le bécher sur un agitateur à palette suspendu équipé d’une palette en plastique et remuez le tout à 1 000 tr/min pendant cinq minutes.

Ajoutez 50 grammes de poudre de zinc et continuez à remuer pendant cinq minutes de plus. Au bout de cinq minutes, arrêtez l’agitateur et retirez le bécher. Placez le bécher dans un dessiccateur pendant cinq minutes à température ambiante pour exclure le mélange et son contenu sous vide.

Répartissez la pâte de zinc dans des moules en polypropylène d’environ 10 millimètres de diamètre et cinq millimètres de hauteur pour sécher la pâte à l’air libre pendant la nuit. Après séchage, retirez soigneusement la pâte de zinc des moules et placez-les dans un boîtier en maille qui repose sur un support en alumine cranté. Placez l’ensemble dans un four tubulaire avec des orifices pour faire entrer et sortir le gaz du tube.

Canalisez l’azote gazeux dans le four pendant 30 minutes à une vitesse de 5,7 centimètres par minute pour purger le four de l’air. Après 30 minutes de purge, étranglez l’azote gazeux à un taux constant de 2,8 centimètres par minute. Programmez la température de la fournaise pour qu’elle augmente linéairement de 20 à 369 degrés Celsius sur une période de 68 minutes, maintienne la température à 369 degrés Celsius pendant cinq heures, augmente linéairement de 369 à 584 degrés Celsius sur une période de 105 minutes, puis éteignez.

Démarrez le programme de la fournaise pendant que l’azote continue de s’écouler. Arrêtez manuellement le flux d’azote gazeux après les cinq heures de maintien de la température et acheminez l’air respirable à 2,8 centimètres par minute. Laissez la fournaise refroidir à température ambiante une fois le programme de chauffage arrêté tout en maintenant la circulation de l’air respirable.

Enfin, retirez les éponges de zinc refroidies et sciez-les ou poncez-les aux dimensions souhaitées. Ajoutez 10,5 millilitres d’eau déminéralisée dans un bécher en verre de 100 millilitres. Ajoutez ensuite 0,12 gramme de gomme de cellulose soluble dans l’eau et à haute viscosité et remuez à l’aide d’un outil d’agitation plastifié.

Vortex et remuez ce mélange à la main pendant cinq minutes ou jusqu’à ce que la gomme de cellulose soit dissoute. Ajoutez 2,4 grammes de fécule de maïs tout en faisant tourbillonner le bécher pendant deux minutes, puis ajoutez 120 grammes de poudre de zinc préparée tout en vortex pendant deux minutes supplémentaires. Une fois cela fait, pressez la pâte de zinc obtenue dans les cavités du moule souhaitées et laissez-les sécher toute la nuit à 70 degrés Celsius à l’air libre dans un four.

Après séchage, retirez soigneusement la pâte de zinc des moules et placez-les dans un boîtier en maille qui repose sur un support en alumine cranté. Placez l’ensemble dans un four tubulaire avec des orifices pour faire entrer et sortir le gaz du tube. Canalisez l’azote gazeux dans le four pendant 30 minutes à une vitesse de 5,7 centimètres par minute pour purger le four de l’air.

Après 30 minutes de purge, étranglez l’azote gazeux à un taux constant de 2,8 centimètres par minute. Programmez la température de la fournaise pour qu’elle augmente linéairement de 20 à 369 degrés Celsius sur une période de 68 minutes, maintienne la température à 369 degrés Celsius pendant cinq heures, augmente linéairement de 369 à 584 degrés Celsius sur une période de 105 minutes, puis éteignez. Démarrez le programme de la fournaise pendant que l’azote continue de s’écouler.

Après cinq heures de maintien de la température, arrêtez manuellement le flux d’azote gazeux et acheminez l’air respirable à 2,8 centimètres par minute. Laissez la fournaise refroidir à température ambiante une fois le programme de chauffage arrêté tout en maintenant la circulation de l’air respirable. Enfin, retirez les éponges de zinc refroidies et sciez-les ou poncez-les aux dimensions souhaitées.

Ce protocole a été utilisé pour produire des éponges de zinc à base d’émulsion avec des densités de 2,8 grammes par centimètre cube et des éponges à base aqueuse avec des densités de 3,3 grammes par centimètre cube. Les éponges en zinc doivent être rigides et cassantes. Leurs sections transversales doivent ressembler à celles illustrées ici.

Toutes les propriétés des éponges de zinc résultantes doivent se situer dans les plages fournies dans le manuscrit du texte. L’électrode en éponge de zinc présente une stabilité cyclique à une capacité gravimétrique de 328 milliampères-heures par gramme de zinc, ce qui correspond à une profondeur de décharge de 43 %. Après un cycle électrochimique approfondi des électrodes de zinc construites pour estimer leur efficacité, aucune dendrite n’a été observée dans les micrographies électroniques à balayage des électrodes d’éponge de zinc.

La surface de l’éponge de zinc subit une restructuration pendant le cyclisme. Plus le niveau de décharge est profond et plus la durée de vie du cycle est longue, plus la quantité de restructuration est importante. Lorsque vous essayez ce protocole, n’oubliez pas de remuer le mélange avec un outil plastifié.

Des procédés de fabrication similaires pourraient être utilisés pour créer d’autres types de mousses métalliques à base de différents métaux pour de nombreuses applications.