Name: אלקטרודות סוללת אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: למד שיטה פשוטה וזולה ליצירת אלקטרודות אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים בסוללות אלקליות. השיטה מאפשרת התאמת מבנה האלקטרודה באמצעות שינוי גודל חלקיקים ופרוטוקול טיפול תרמי.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מחקר זה מומן על ידי משרד המחקר הימי של ארצות הברית.

1. שיטה מבוססת אמולסיה ליצירת אלקטרודות ספוג Zn
<ol><li>הוסף 2.054 מ"ל של מים דה-יוניים לכוס זכוכית 100 מ"ל.</li>
	<li>הוסף 4.565 מ"ל של דקאן לתחבולה.</li>
	<li>יש לערבב פנימה 0.1000 ± 0.0003 גרם נתרן דודסיל סולפט (SDS) עד להמסה.</li>
	<li>מערבבים פנימה 0.0050 ± 0.0003 גרם של קרבוקסימתיל צלולוז (CMC) מסיס במים. הערה: השתמש בכלי ערבוב מצופים פלסטיק או פלסטיק. ערבוב עם כלים עם משטח מתכתי יכול להשפיע לרעה על ספוגי Zn וכתוצאה מכך.</li>
	<li>יש לערבב פנימה 0.844 ± 0.002 גרם של שרף קרבוקסימתיל צלולוז פרזוולן מסיס במים. הערה: סוג זה של שרף מסיס במים הוא יקר (USD $420 ק"ג–1)6.</li>
	<li>מערבבים את התערובת ב 1,000 סל"ד במשך 5 דקות באמצעות מערבל ההנעה תקורה מצויד במשוט פלסטיק.</li>
	<li>יוצקים 50 גרם אבקת Zn (גודל חלקיקים ממוצע של 50 מיקרומטר, המכיל 307 ppm של ביסמוט ו 307 ppm של indium לדיכוי קורוזיה) לתוך הכוס בעוד מערבל תקורה ממשיך להסתובב ב 1,000 סל"ד.</li>
	<li>ממשיכים לערבב את משחת Zn במשך 5 דקות נוספות באותו קצב, 1,000 סל"ד.</li>
	<li>עוצרים את המערבב, מסירים את הכיס, ומוציאים את התערובת על ידי הנחת הכיס ותכולתה תחת ואקום במשך 5 דקות במתן בטמפרטורת החדר.</li>
	<li>מחלקים את משחת Zn לתבניות פוליפרופילן (קוטר של כ-10 מ"מ וגובה של כ-5 מ"מ) ומניחים להם להתייבש באוויר הפתוח למשך הלילה. צורת התבנית מכתיבה את צורת הדבק היבש וספוגי Zn וכתוצאה מכך. הערה: גודל הצורה והתבנית של העובש עשויים להשתנות. ניסויים קודמים5 בהצלחה להשתמש תבניות גליליות עם קטרים ליד 10 מ"מ. מלאו את הדבק Zn עד לגובה של 5 מ"מ או פחות. ככל שהגובה קצר יותר, זמן הייבוש הנדרש קצר יותר. ראה טבלת חומרים לקבלת תבניות זמינות מסחרית.</li>
	<li>הסר בזהירות את הדבק Zn מיובש preforms מן התבניות ומניחים אותם לתוך מעטפת רשת הנשענת על מחזיק אלומינה חריץ5,6. הערה: פברק מעטפת רשת, למשל, על ידי כיפוף גיליון פליז מחורר לתוך גליל עם קוטר כי הוא קצת יותר גדול מאשר הקוטר הרצוי של אלקטרודה Zn-ספוג. לרסס את יריעת המתכת המחוררת עם חומר סיכה בורון-ניטריד לאחר כיפוף לתוך צורה הרצויה.</li>
	<li>מניחים את ההרכבה לתוך תנור צינור (בקוטר 67 מ"מ) עם יציאות להזרמת גז פנימה והחוצה של הצינור. הערה: השתמש ביציאה אחת (נמל הכניסה) כדי להזרים גז לכבשן. השתמש השני (יציאת היציאה) כדי לפרוק גז מתוך תנור הצינור לתוך מכסה המנוע אדים.</li>
	<li>מזלפים גז N2 לתוך הכבשן במשך 30 דקות בקצב של 5.7 ס"מ ∙דקות–1 כדי לטהר את תנור האוויר. הערה: ניתן להשיג שלב 1.13 על ידי חיבור מיכל של גז N2 עם מד זרימה הנשלט דיגיטלית לצינור המחובר לאחת מנמלי הכניסה. מדי זרימת גז יכולים להיות נשלטים באופן ידני או על ידי מחשב.</li>
	<li>לחנוק את גז N2 לקצב קבוע של 2.8 ס"מ ∙min–1 לאחר הטיהור 30 דקות.</li>
	<li>לתכנת את התנור כדי להגדיל את הטמפרטורה באופן ליניארי מ 20 ל 369 °C (50 °F) במהלך 68 דקות, להחזיק ב 369 °C (5 שעות), לעלות ליניארי מ 369 °C (584 °F) במהלך 105 דקות, ולאחר מכן לכבות.</li>
	<li>התחל את תוכנית הכבשן בזמן שהגז N2 ממשיך לזרום.</li>
	<li>באופן ידני לעצור את זרימת גז N2לאחר אחיזת הטמפרטורה 5 שעות צינור אוויר נשימה ב 2.8 ס"מ ∙min–1. הערה: שלב 1.17 ניתן להשיג על ידי חיבור מיכל של אוויר נשימה (לא אוויר סינתטי) עם מד זרימה נשלט דיגיטלית לצינור המחובר ליציאת כניסה נוספת.</li>
	<li>ברגע שתוכנית החימום מפסיקה, תן לכבשן להתקרר לטמפרטורת החדר ללא קירור פעיל, אך שמור על אוויר הנשימה זורם.</li>
	<li>הסר את ספוגי Zn מקוררים וראה אותם ו / או חול אותם לממדים הרצויים. הערה: ניתן להשתמש במגוון כלי ניסור כגון מסורים סיבוביים ידניים או מסורי פס אנכיים. להבי יהלום שוחקים או יהלום מתאימים.</li>
</ol>2. שיטה מבוססת מימית ליצירת אלקטרודות ספוג Zn
<ol><li>יש להוסיף 10.5 מ"ל של מים מתובלים לכוס זכוכית 100 מ"ל.</li>
	<li>יש לערבב פנימה 0.120 ± 0.001 גרם של מסטיק תאית מסיס במים, הידוע גם בשם קרבוקימתיל תאיתיל צלולוז (CMC). הערה: השתמש בכלי ערבוב מצופים פלסטיק או פלסטיק. ערבוב עם כלים עם משטח מתכתי יכול להשפיע לרעה על ספוגי Zn וכתוצאה מכך.</li>
	<li>מערבולת ומערבבים את התערובת ביד במשך 5 דקות או עד CMC מומס.</li>
	<li>מערבבים פנימה 2.400 ± 0.001 גרם של עמילן תירס תוך מערבולת במשך 2 דקות נוספות.</li>
	<li>מערבבים פנימה 120.00 ± 0.01 גרם אבקת Zn (גודל חלקיקים ממוצע של 50 מיקרומטר, המכיל 307 ppm של ביסמוט ו 307 ppm של אינדיום לדיכוי קורוזיה) תוך מערבולת במשך 2 דקות נוספות.</li>
	<li>לחץ על הדבק Zn וכתוצאה מכך לתוך חללי עובש הרצוי. הערה: גודל הצורה והתבנית של העובש עשויים להשתנות. ניסויים קודמים6 בהצלחה להשתמש תבניות גליליות עם קוטרים ליד 10 מ"מ. מלא את הדבק Zn עד לגובה של 50 מ"מ או פחות. הדבק Zn מימית הוא מייבש מאשר משחת Zn אמולסיה, כך הגרסה מימית ניתן להשתמש כדי להפוך ספוגים גדולים יותר הדורשים פחות זמן ייבוש. ככל שהגובה קצר יותר, זמן הייבוש הנדרש קצר יותר. התבנית צריכה להיות מסוגלת לפצל לשניים כמו הדבק Zn מימית מתכווץ מינימלי לאחר הייבוש, בניגוד משחת Zn אמולסיה. חמאה ללא מחיה יכולה לשמש לשמן את התבניות לפני לחיצה על הדבק Zn מימית כדי לסייע בהדגמה. איור 1A מציג את התבניות במכונה מותאמת אישית ארוזות במשחה Zn בהתאם לפרוטוקול המבוסס על מימית. איור 1B מציג את מעטפת הרשת בעבודת יד, מחזיק אלומינה חריץ וספוג Zn שנוצר בשיטה מבוססת מימית.</li>
	<li>השאירו את התבניות מלאות בדבק Zn להתייבש למשך הלילה בשעה 70 מעלות צלזיוס באוויר הפתוח בכבשן.</li>
	<li>בצע את אותם שלבי טיפול וטיפול בחום (1.11-1.19) המתוארים עבור השיטה המבוססת על אמולסיה.</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>
<li>Jayasayee, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cold+Sintering+as+a+Cost-Effective+Process+to+Manufacture+Porous+Zinc+Electrodes+for+Rechargeable+Zinc-Air+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Processes%22%5BJournal%5D)">Cold Sintering as a Cost-Effective Process to Manufacture Porous Zinc Electrodes for Rechargeable Zinc-Air Batteries.</a> Processes. 8 (5), 592(2020).</li>
<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>
<li>Yu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ag-Modified+Cu+Foams+as+Three-Dimensional+Andoes+for+Rechargeable+Zinc-Air+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Nano+Materials%22%5BJournal%5D)">Ag-Modified Cu Foams as Three-Dimensional Andoes for Rechargeable Zinc-Air Batteries.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (5), 2679-2688 (2019).</li>
<li>Stumpp, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+Electrodeposition+of+Zinc+Oxide+on+Conductive+Meshes+and+Foams+Enabling+Its+Use+as+Secondary+Anode%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Controlled Electrodeposition of Zinc Oxide on Conductive Meshes and Foams Enabling Its Use as Secondary Anode.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165 (10), 461-466 (2018).</li>
<li>Stock, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+Strategy+for+Zinc+Anodes+with+Enhanced+Utilization+and+Retention%3A+Electrodeposited+Zinc+Oxide+on+Carbon+Mesh+Protected+by+Ionomeric+Layers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Design Strategy for Zinc Anodes with Enhanced Utilization and Retention: Electrodeposited Zinc Oxide on Carbon Mesh Protected by Ionomeric Layers.</a> ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5579-5588 (2018).</li>
<li>Li, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+homogeneous+copper+foam+as+surface+dendrite-free+host+for+zinc+metal+anode%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Journal%22%5BJournal%5D)">Spatially homogeneous copper foam as surface dendrite-free host for zinc metal anode.</a> Chemical Engineering Journal. 379, 122248(2020).</li>
<li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene+oxide-modified+zinc+anode+for+rechargeable+aqueous+batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Science%22%5BJournal%5D)">Graphene oxide-modified zinc anode for rechargeable aqueous batteries.</a> Chemical Engineering Science. 194, 142-147 (2019).</li>
<li>McDevitt, K. M., Mumm, D. R., Mohraz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+Cyclability+of+ZnO+Electrodes+through+Microstructural+Design%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Improving Cyclability of ZnO Electrodes through Microstructural Design.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (11), 8107-8117 (2019).</li>
<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>
<li>Bozzini, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphological+evolution+of+Zn-sponge+electrodes+monitored+by+in+situ+X-ray+computed+microtomography%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography.</a> ACS Applied Energy Materials. , (2020).</li>
<li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Do+Zinc+Dendrites+Exist+in+Neutral+Zinc+Batteries%3A+A+Developed+Electrohealing+Strategy+to+In+Situ+Rescue+In-Service+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries.</a> Advanced Materials. 31, 1903778(2019).</li>
<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>
<li>Narayanan, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+challenges+and+technical+approaches+for+realizing+inexpensive+and+robust+iron-air+batteries+for+large-scale+energy+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron-air batteries for large-scale energy storage.</a> Solid State Ionics. 216, 105-109 (2012).</li>
<li>Xiong, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Heat+Treatment+on+the+Discharge+Behavior+of+Mg-6wt.%25Al-1wt.%25Sn+Alloy+as+Anode+for+Magnesium-Air+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Engineering+and+Performance%22%5BJournal%5D)">Effects of Heat Treatment on the Discharge Behavior of Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn Alloy as Anode for Magnesium-Air Batteries.</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 26, 2901-2911 (2017).</li>
<li>Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suppressing+corrosion+in+primary+aluminum-air+batteries+via+oil+displacement%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement.</a> Science. 362, 658-661 (2018).</li>
<li>Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Performance+Structural+Batteries%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">High-Performance Structural Batteries.</a> Joule. , (2020).</li>
</ol>

J.F.P. , D.R.R., ו J.W.L. מחזיקים בפטנטים הקשורים לאלקטרודות אבץ: פטנטים בארה"ב מס ' 9802254, 10008711, 10720635 10763500, פטנט האיחוד האירופי ללא 2926395, ופטנט סין מס '104813521.

שינויים ופתרון בעיות הקשורים לפרוטוקולים אלה כוללים מילוי הדבק Zn מעורב טרי לתוך חלל עובש. יש להזהירות כדי למנוע כיסי אוויר. חללים לא רצויים ניתן להקטין על ידי הקשה על התבנית לאחר מילוי או בעת מילוי. מכיוון שממרח Zn מימי יבש, ניתן להפעיל לחץ ישירות על משחת Zn כדי לדחוף החוצה את כיסי האוויר בעת מילוי חלל התבנית.
מגבלה של השיטות היא כי מבנה נקבובית Zn-ספוג הוא הפרעה, אבל Zn וגדלי חלקיקי פורוגן ניתן להשתמש כדי לשנות מורפולוגיה נקבוביות. ספוג Zn מסודר יותר, בעל פוטנציאל חזק וקל יותר, עשוי להיות מפ...

מטרת שיטות הייצור המדווחות היא ליצור אלקטרודות ספוג אבץ (Zn) המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה. מבחינה היסטורית, בעיות אלה הגבילו את חיי המחזור של סוללות Zn. אלקטרודות ספוג אבץ פתרו בעיות אלה, המאפשר סוללות Zn עם חיי מחזור ארוכים יותר1,2,3,4,5,6. מבנה הספוג מדכא היווצרות dendrite ושינוי צורה כי (1) מסגרת Zn מותך חשמל חוטים את כל הנפח של הספוג; (2) הנקבוביות מחזיקות אבץ ליד פני השטח של ספוג Zn; ו-(3) הספוג יש שטח פנים גבוה שמקטין את צפיפות הזרם המקומית מתחת לערכים שזוהו לנבוט דנדריטים באלקטרוליטים אלקליין7. עם זאת, אם שטח פני הספוג גבוה מדי, קורוזיה משמעותית מתרחשת5. אם נקבוביות הספוג גדולות מדי, הספוג יהיהקיבולתנפחית נמוכה 5 . כמו כן, אם נקבוביות הספוג קטנות מדי, האלקטרודה Zn לא יהיה אלקטרוליט מספיק כדי לגשת Zn במהלך הפריקה, וכתוצאה מכך כוח נמוךוקיבולת 5,6.
הרציונל מאחורי שיטות הייצור המדווחות הוא ליצור ספוגי Zn עם נקבוביות ספוג מתאימות וקוטרי נקבוביות. באופן ניסיוני, אנו מוצאים כי ספוגי Zn עם נקבוביות מ 50 עד 70% וקוטרי נקבוביות ליד מחזור 10 מיקרומטר היטב בסוללות תא מלא ולהציג שיעורי קורוזיה נמוכים5. נציין כי שיטות קיימות לייצור קצף מתכת מסחרית לא מצליחות להשיג מורפולוגיות דומות בקשקשי אורך אלה8, ולכן יש צורך בשיטות הייצור המדווחות.
היתרונות של השיטות המדווחות כאן על פני חלופות מאופיינים בשליטה עדינה על תכונות ספוג ועל ידי היכולת לייצר ספוגי Zn גדולים וצפופים עם ערכים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית קיבולת אריאל5,6,9,10. שיטות חלופיות ליצירת קצף Zn עשוי להיות מסוגל ליצור נקבוביות 10 מיקרומטר דומה עם נקבוביות ספוג ליד 50%. חלופות כאלה עשויות, עם זאת, לדרוש פחות אנרגיה כדי לפברק כי הם נמנעים צעדי עיבוד בטמפרטורה גבוהה. תהליכים חלופיים כוללים את האסטרטגיות הבאות: חלקיקי Zn sintering קר11, הפקדת Zn על מבנים מארחים תלת מימדיים12,13,14,15,16,17, חיתוך רדיד Zn לקצף דו מימדי18, ויצירת קצף Zn באמצעות פירוק ספינודל19 או פירוק חלפול20.
ההקשר של השיטות המדווחות בגוף הרחב יותר של הספרות שפורסמה מבוסס בעיקר על ידי עבודה של Drillet ואח'21. הם התאימו שיטות לייצור קרמיקה נקבובית כדי ליצור את אחד מקצפי Zn התלת ממדיים המוקדמים ביותר שדווחו, אם כי שבירים, לסוללות. מחברים אלה, לעומת זאת, לא הצליחו להפגין טעינה, ככל הנראה בגלל הקישוריות הירודה בין חלקיקי Zn. לפני אלקטרודות ספוג Zn נטענות, החלופה הטובה ביותר לאלקטרודה רדיד Zn הייתה אלקטרודה אבקת Zn, שבו אבקת Zn מעורבב עם אלקטרוליט ג'ל. אלקטרודות אבקת אבץ משמשות מסחרית בסוללות אלקליין ראשוניות (Zn-MnO2) אך יש להן טעינה ירודה מכיוון שחלקיקי Zn הופכים לפסיבים על ידי תחמוצת Zn (ZnO), אשר יכול להגדיל את הצפיפות הנוכחית המקומית שמדרבנת צמיחה דנדריט3,22. נציין כי ישנן אסטרטגיות אחרות לדיכוי דנדריט שאינן כרוכות בארכיטקטורות קצף אוספוג 23,24.
שיטות הייצור המדווחות של ספוג Zn דורשות תנור צינור, מקורות של אוויר וגז חנקן (N2),ומכסה אדים. כל השלבים יכולים להתבצע בדלפק מעבדה ללא בקרה סביבתית, אך פליטה מכבשן הצינור במהלך טיפול בחום צריכה להיות מוזרמת למכסה אדים. אלקטרודות וכתוצאה מכך מתאימות למעוניינים ביצירת אלקטרודות Zn נטענות המסוגלות לקיבולת אראלית גבוהה (> 10 mAh ס"מגיאו–2)6.
שיטת הייצור המדווחת הראשונה היא מסלול מבוסס אמולסיה ליצירת אלקטרודות ספוג Zn. השני, הוא מסלול מימי מבוסס. יתרון של נתיב אמולסיה הוא היכולת שלה ליצור הדבק Zn, כי כאשר מיובש, קל להוריד מחלל עובש. חיסרון הוא הסתמכותו על חומרים יקרים. עבור המסלול מימי, preforms ספוג יכול להיות מאתגר כדי demold, אבל תהליך זה משתמש בחומרים זולים בשפע.
שתי השיטות כוללות ערבוב חלקיקי Zn עם חומר פורוגן ושיפור צמיגות. התערובת המתקבלת מחוממת תחת N2 ולאחר מכן לנשום אוויר (לא אוויר סינתטי). במהלך חימום תחת N2, חלקיקי Zn חין ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר נשימה, חלקיקי Zn מחופים להתמזג והפורוגן נשרף. תהליכים אלה מניבים קצף מתכת או ספוגים. המאפיינים המכניים והאלקטרוכימיים של ספוגי Zn ניתן לכוונן על ידי יחס מסת Zn-to-porogen משתנה, זמן חימום תחת N2 ואוויר, ואת הגודל והצורה של חלקיקי Zn ופורוגן.

<table><tbody><tr><td>עמילן תירס</td><td>ארגו</td><td>לא ישים</td><td>זה פועל כחומר משפר נקבוביות וצמיגות.</td></tr><tr><td>Decane</td><td>MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>צמיגות בינונית מסיס במים קרבוקסימתיל צלולוז (CMC) מלח נתרן</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>CMC זה פועל בעיקר כחומר משפר צמיגות.</td></tr><tr><td>מערבל תקורה</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>דגמים גליליים קטנים לספוגי Zn</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>מכסי הבקבוקונים יכולים לשמש כתבניות.</td></tr><tr><td>נתרן דודציל סולפט</td><td>MilliporeSigma 436143</td><td></td><td></td></tr><tr><td>IonSep בלתי מסיס במים CMC 52 שרף תאית קרבוקסימתיל נפוח מראש</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>CMC זה פועל כחומר פורוגן ומשפר צמיגות.</td></tr><tr><td>אבקת Zn</td><td>EverZinc</td> הזמנה <td></td><td>מותאמת אישית</td></tr></tbody></table>

אלקטרודות סוללת אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

אנו מדווחים על שתי שיטות ליצירת אלקטרודות ספוג אבץ המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה עבור סוללות אבץ נטענות. שתי השיטות מאופיינות ביצירת משחה העשויה מחלקיקי אבץ, פורוגן אורגני וסוכן משפר צמיגות המחומם תחת גז אינרטי ולאחר מכן אוויר. במהלך החימום מתחת לגז אינרטי, חלקיקי האבץ חישול יחד, ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר, אבץ נתיכים ושיורי אורגניים נשרפים, מניבים קצף מתכת פתוח או ספוג. אנו מכוונים את התכונות המכניות והאלקטוכימיות של ספוגי האבץ על ידי יחס מסה משתנה בין אבץ לפורוגן, זמן חימום תחת גז אינרטי ואוויר, וגודל וצורה של חלקיקי האבץ והפורוגן. יתרון של השיטות המדווחות הוא היכולת שלהם לכוונן היטב את ארכיטקטורת אבץ-ספוג. הגודל והצורה שנבחרו של חלקיקי האבץ והפורוגן משפיעים על המורפולוגיה של מבנה הנקבוביות. מגבלה היא כי ספוגים וכתוצאה מכך יש מבני נקבוביות הפרעה שגורמים כוח מכני נמוך בנפח נמוך שברים של אבץ (<30%). היישומים עבור אלקטרודות ספוג אבץ אלה כוללים סוללות לאחסון רשת, אלקטרוניקה אישית, כלי רכב חשמליים ותעופה חשמלית. משתמשים יכולים לצפות אלקטרודות ספוג אבץ מחזור עד 40% עומק של פריקה בשיעורים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית ויכולות אריאליות ללא היווצרות של דנדריטים חודרי מפריד.

כתוצאה מכך, ספוגי Zn מבוססי אמולסיה, שטופלו במלואם בחום, הם בעלי צפיפות של 2.8 גרם לס"מ-3, בעוד שספוגים מימיים מתקרבים ל-3.3 גרם לס"מ–3. במהלך חימום תחת אוויר, שכבה של ZnO צורות על משטחי Zn, אשר צריך להיות עובי של 0.5-1.0 מיקרומטר (נצפה באמצעות סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים)5. מוצק בספוגים וכתוצאה מכך צריך להיות 72% Zn (גרסת אמולסיה) או 78% Zn (גרסה מימית) עם השאר להיות ZnO (נמדד על ידי עקיפה רנטגן)6. שני הספוגים צריכים להיות נקבוביות ליד 50%, הפצות קוטר נ...

מטרת הפרוטוקולים המדווחים היא ליצור אלקטרודות נטענות של ספוג אבץ המדכאות דנדריטים ושינוי צורה בסוללות אבץ, כגון ניקל-אבץ או אבץ-אוויר.

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

פרוטוקול זה מספק שיטה קלה ובעלות נמוכה ליצירת אלקטרודת אבץ המדכאת דנדריטים כאשר הם מחזוריים בסוללה אלקליין. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן לכוונן בקלות את מבנה אלקטרודת האבץ על ידי שינוי גודל חלקיקי האבץ, סוג המקור וגודלו, או פרוטוקול טיפול בחום. ספוג המתכת שנוצר באמצעות פרוטוקול זה נופל לצפיפות היחסית ולגודל התא שיכול להיות קשה להשגה בשיטות ייצור קצף מתכת סטנדרטיות.התחל בהוספת 2.054 מיליליטר מים נטולי יונים ו-4.565 מיליליטר דקאן לכוס זכוכית של 100 מיליליטר. לאחר מכן ממיסים 0.1 גרם SDS על ידי ערבוב התמיסה. לאחר מכן, הוסיפו לכוס חמישה מיליגרם של מלח נתרן CMC בעל צמיגות בינונית מסיס במים וערבבו במשך חמש דקות או עד להמסה.השתמש בכלי ערבוב מפלסטיק או מצופה פלסטיק מכיוון שמשטח מתכתי יכול להשפיע לרעה על ספוגי האבץ שנוצרו. מוסיפים ומערבבים לכוס 0.844 גרם שרף קרבוקסימתיל תאית נפוח בלתי מסיס במים. שמור את הכוס על מערבל משוט תקורה המצויד במשוט פלסטיק ומערבב את כל התערובת ב -1, 000 סל"ד למשך חמש דקות.מוסיפים 50 גרם אבקת אבץ וממשיכים לערבב עוד חמש דקות. לאחר חמש דקות עוצרים את המערבב ומסירים את הכוס. מניחים את הכוס בחומר ייבוש למשך חמש דקות בטמפרטורת החדר כדי להוציא את התערובת ותכולתה בוואקום.חלקו את משחת האבץ לתבניות פוליפרופילן בקוטר של כ -10 מילימטר וגובה חמישה מילימטר לייבוש העיסה באוויר למשך הלילה. לאחר הייבוש, הוציאו בזהירות את משחת האבץ מהתבניות והניחו אותן לתוך מעטפת רשת המונחת על מחזיק אלומינה מחורץ. הנח את המכלול לתנור צינור עם יציאות להזרמת גז פנימה והחוצה מהצינור.צינור גז חנקן לתנור למשך 30 דקות בקצב של 5.7 סנטימטרים לדקה כדי לטהר את התנור מאוויר. לאחר 30 דקות של טיהור, מצערת את גז החנקן לקצב קבוע של 2.8 סנטימטרים לדקה. תכנת את טמפרטורת התנור כך שתעלה באופן ליניארי מ-20 ל-369 מעלות צלזיוס במהלך 68 דקות, החזק על 369 מעלות צלזיוס למשך חמש שעות, עלה באופן ליניארי מ-369 ל-584 מעלות צלזיוס במהלך 105 דקות, ולאחר מכן כבה.התחל את תוכנית התנור כשהחנקן ממשיך לזרום. עצור את זרימת גז החנקן באופן ידני לאחר חמש שעות של החזקת טמפרטורה וצנר אוויר נושם במהירות של 2.8 סנטימטרים לדקה. הניחו לתנור להתקרר לטמפרטורת החדר לאחר הפסקת תוכנית החימום תוך שמירה על זרימת אוויר הנשימה.לבסוף, הסר את ספוגי האבץ שהתקררו וניסר או שייף אותם למידות הרצויות. הוסף 10.5 מיליליטר מים נטולי יונים לכוס זכוכית של 100 מיליליטר. לאחר מכן מוסיפים 0.12 גרם מסטיק תאית מסיס במים בעל צמיגות גבוהה ומערבבים בעזרת כלי ערבוב מצופה פלסטיק.מערבבים את התערובת ביד במשך חמש דקות או עד שהגומי התאית נמס. מוסיפים 2.4 גרם קורנפלור תוך כדי מערבולת הכוס במשך שתי דקות ולאחר מכן מוסיפים 120 גרם אבקת אבץ מוכנה תוך כדי מערבולת של שתי דקות נוספות. לאחר שתסיים, לחץ את משחת האבץ שהתקבלה לתוך חללי התבנית הרצויים והשאיר אותם לייבוש למשך הלילה בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס באוויר הפתוח בתנור.לאחר הייבוש, הוציאו בזהירות את משחת האבץ מהתבניות והניחו אותן לתוך מעטפת רשת המונחת על מחזיק אלומינה מחורץ. הנח את המכלול לתנור צינור עם יציאות להזרמת גז פנימה והחוצה מהצינור. צינור גז חנקן לתנור למשך 30 דקות בקצב של 5.7 סנטימטרים לדקה כדי לטהר את התנור מאוויר.לאחר 30 דקות של טיהור, מצערת את גז החנקן לקצב קבוע של 2.8 סנטימטרים לדקה. תכנת את טמפרטורת התנור כך שתעלה באופן ליניארי מ-20 ל-369 מעלות צלזיוס במהלך 68 דקות, החזק על 369 מעלות צלזיוס למשך חמש שעות, עלה באופן ליניארי מ-369 ל-584 מעלות צלזיוס במהלך 105 דקות, ולאחר מכן כבה. התחל את תוכנית התנור כשהחנקן ממשיך לזרום.לאחר חמש שעות של החזקת טמפרטורה, עצור את זרימת גז החנקן באופן ידני והזרם אוויר נושם במהירות של 2.8 סנטימטרים לדקה. הניחו לתנור להתקרר לטמפרטורת החדר לאחר הפסקת תוכנית החימום תוך שמירה על זרימת אוויר הנשימה. לבסוף, הסר את ספוגי האבץ שהתקררו וניסר או שייף אותם למידות הרצויות.פרוטוקול זה שימש לייצור ספוגי אבץ מבוססי תחליב בצפיפות של 2.8 גרם לסמ"ק וספוגים על בסיס מימי בצפיפות של 3.3 גרם לסמ"ק. ספוגי האבץ צריכים להיות קשיחים ושבירים. חתכי הרוחב שלהם צריכים להיראות דומים לאלה המוצגים כאן.כל המאפיינים של ספוגי האבץ המתקבלים צריכים להיות בטווחים המופיעים בכתב היד הטקסטואלי. אלקטרודת ספוג האבץ מציגה יציבות מחזורית בקיבולת גרבימטרית של 328 מיליאמפר שעה לגרם אבץ, הממפה לעומק פריקה של 43%. לאחר מחזור אלקטרוכימי נרחב של אלקטרודות האבץ שנבנו כדי להעריך את יעילותן, לא נצפו דנדריטים בסריקת מיקרוגרפים אלקטרוניים של אלקטרודות ספוג האבץ.פני השטח של ספוג האבץ עוברים ארגון מחדש במהלך הרכיבה על אופניים. ככל שרמת הפריקה עמוקה יותר וחיי המחזור ארוכים יותר, כך כמות הארגון מחדש גדולה יותר. כשאתם מנסים את הפרוטוקול הזה, זכרו לערבב את התערובת בעזרת כלי מצופה פלסטיק.ניתן להשתמש בתהליכי ייצור דומים ליצירת סוגים אחרים של קצף מתכת המבוססים על מתכות שונות עבור יישומים רבים.

zinc-sponge-battery-electrodes-that-suppress-dendrites

Research

JoVE Journal

Chemistry

כימיה

פרוטוקול מוצג למחקר רב אלקטרון מתכת / מערכות סוללה אוויר על ידי שימוש בטכנולוגיה קודמת שפותחה עבור תא האבץ / אוויר. בדיקות אלקטרוכימי מבוצעת לאחר מכן על סוללות מפוברקות כדי להעריך את הביצועים.

המצאה של VB<sub&gt; 2</sub&gt; / תאי אוויר לבדיקת אלקטרוכימי

אנו מתארים את השימוש בספקטרוסקופיה סינכרוטרון רנטגן הקליטה (סאס) ועקיף X-ray טכניקות (XRD) כדי לבחון את הפרטים של תהליכי העיבור / deintercalation בחומרי אלקטרודה עבור סוללות ליתיום נטענת וNa-ion. שניהם באתרם וניסויים באתרו לשעבר נמצאים בשימוש כדי להבין את התנהגות מבנית רלוונטית להפעלתם של מכשירים...

אפיון של חומרי אלקטרודה לסוללות ליתיום יון ויון נתרן באמצעות טכניקות Synchrotron קרינה

אנו מתארים את התכנון והבנייה של תא אלקטרוכימי לבחינת חומרי האלקטרודה באמצעות בעקיפת אתר אבקת ניטרונים (NPD). אנו להתייחס בקצרה חלופיים בעיצובי תא NPD האתר ולדון בשיטות לניתוח מקביל בנתונים NPD האתר הופקו באמצעות תא זה.

באתרו ניוטרון אבקת השתברות שימוש בסוללות ליתיום-יון מתוצרת מותאמת אישית

מיקרוטומוגרפיה של קרני רנטגן קשות מבוססת סינכרוטרון משמשת להדמיית הצמיחה האלקטרוכימית של דנדריטים מאלקטרודה מתכת ליתיום דרך קרום אלקטרוליט פולימרי מוצק.

ניתוח כישלון של סוללות שימוש Microtomography הקשיח רנטגן מבוסס Synchrotron

עיבוד אלקטרודות לא מימיות הוא מרכזי בבניית תאי מטבע ובהערכה של כימיה חדשה של אלקטרודות עבור סוללות ליתיום-יון. מדריך שלב אחר שלב לשיטות הבסיסיות הדרושות כמהנדס אלקטרוכימי העובד עם סוללות במסגרת ניסויית אקדמית מסופק.

עיבוד בלתי מימי אלקטרודה ובנייה של תאי ליתיום-יון מטבע

פרוטוקול להרכבת electrochemically הפעיל המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום nanobatteries באמצעות קרן יון ממוקד מוצג.

יון ממוקדת קרן פבריקציה נוספת של Nanobatteries המבוסס על LiPON של מצב מוצק ליתיום בחיי עיר בדיקה

שילוב של אלקטרודות הפניה ב- li-ion סוללה מספק מידע חשוב להבהיר המנגנונים השפלה מתח גבוה. במאמר זה, אנו מציגים עיצוב התא יכול להכיל מספר אלקטרודות הפניה, יחד עם מכלול השלבים כדי להבטיח דיוק מירבי של הנתונים שהתקבלו במדידות אלקטרוכימי.

אלקטרודה הפניה Lithiated באתרו: אלקטרודה ארבע עיצוב עבור ספקטרוסקופיה עכבה בבית-operando

3-אלקטרודה תאים שימושיים בלימוד של אלקטרוכימיה של סוללות ליתיום. כזה התקנה אלקטרוכימי מאפשר את התופעות הקשורות עם קטודית, אנודת להיות decoupled ולא בדק באופן עצמאי. כאן, אנו מציגים מדריך בנייה ושימוש תא 3-אלקטרודה מטבע עם דגש על ליתיום יופיצ analytics.

3-אלקטרודה מטבע תא הכנה וניתוח Electrodeposition עבור סוללות ליתיום

פרוטוקול לבנייה של עופרת מסיסים זרימה סוללה עם תוחלת החיים מורחב, נתרן אשר מסופק אצטט האלקטרוליט methanesulfonic כתוסף, מוצג.

הארכת תוחלת החיים של זרימה מסיסים עופרת סוללות עם תוסף סודיום אצטט

תוך שימוש בשינוי הנפח של ננו-חלקיקי Si במהלך (דה)ליתיזציה, הפרוטוקול הנוכחי מתאר שיטת סינון של ציפויים פוטנציאליים עבור סוללות מצב מוצק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים שידור באתרו .

סינון ציפויים לסוללת מצב מוצק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת באתרו

כאן אנו מציגים שיטת הזזת גליצרול פשוטה וזולה, המבוססת על עקרון ארכימדס למדידת נקבוביות אלקטרודות סוללות חומצה עופרת. השיטה מפגינה שחזוריות טובה ובטוחה יותר מהטכניקות המסורתיות, ודורשת כימיקלים וציוד בעלי סיכון נמוך. שילוב הטכניקה עם ניתוח מיקרוסטרוקטוריאלי באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן מספק מידע על תכונות אלקטרודות הסוללה וההתדרדרות.

הזזת גליצרול מבוססת ארכימדס למדידת נקבוביות אלקטרודות בסוללות עופרת-חומצה

למד שיטה פשוטה וזולה ליצירת אלקטרודות אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים בסוללות אלקליות. השיטה מאפשרת התאמת מבנה האלקטרודה באמצעות שינוי גודל חלקיקים ופרוטוקול טיפול תרמי.

אלקטרודות סוללת אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים

גלה סרטונים נוספים