Elettrodi per batterie in spugna di zinco che sopprimono i dendriti
29 settembre 2020
L'obiettivo dei protocolli riportati è quello di creare elettrodi zinco-spugna ricaricabili che sopprimono i dendriti e cambiano forma nelle batterie di zinco, come nichel-zinco o zinco-aria.
Questo protocollo fornisce un metodo semplice ed economico per creare un elettrodo di zinco che sopprime i dendriti quando viene inserito in una batteria alcalina. Il vantaggio principale di questa tecnica è che si può facilmente regolare la struttura dell'elettrodo di zinco modificando la dimensione delle particelle di zinco, il tipo di origine e la sua dimensione o il protocollo di trattamento termico. La spugna metallica creata utilizzando questo protocollo rientra nella densità relativa e nelle dimensioni delle celle che possono essere difficili da ottenere utilizzando i metodi standard di produzione di schiuma metallica.
Inizia aggiungendo 2,054 millilitri di acqua deionizzata e 4,565 millilitri di decano a un becher di vetro da 100 millilitri. Quindi sciogliere 0,1 grammi di SDS mescolando la soluzione. Quindi, aggiungere cinque milligrammi di sale sodico CMC solubile in acqua a media viscosità nel becher e mescolare per cinque minuti o fino a quando non si sarà sciolto.
Utilizzare strumenti di agitazione in plastica o rivestiti in plastica perché una superficie metallica può influire negativamente sulle spugne di zinco risultanti. Aggiungere e mescolare 0,844 grammi di resina carbossimetilcellulosa pre-gonfia insolubile in acqua nel becher. Tenere il becher su un agitatore a pale sopraelevato dotato di una paletta di plastica e mescolare l'intera miscela a 1.000 giri/min per cinque minuti.
Aggiungere 50 grammi di zinco in polvere e continuare a mescolare per altri cinque minuti. Dopo cinque minuti, fermare l'agitatore e rimuovere il bicchiere. Mettere il bicchiere in un essiccatore per cinque minuti a temperatura ambiente per eliminare il composto e il suo contenuto sotto vuoto.
Porzionare la pasta di zinco in stampi in polipropilene di circa 10 millimetri di diametro e cinque millimetri di altezza per asciugare la pasta all'aria durante la notte. Dopo l'essiccazione, rimuovere con cura la pasta di zinco dagli stampi e inserirli in un involucro a rete che poggia su un supporto di allumina dentato. Posizionare il gruppo in un forno tubolare con porte per far fluire il gas dentro e fuori dal tubo.
Versare l'azoto gassoso nel forno per 30 minuti a una velocità di 5,7 centimetri al minuto per spurgare il forno dall'aria. Dopo 30 minuti di spurgo, ridurre l'azoto gassoso a una velocità costante di 2,8 centimetri al minuto. Programmare la temperatura del forno in modo che aumenti linearmente da 20 a 369 gradi Celsius nel corso di 68 minuti, mantenerla a 369 gradi Celsius per cinque ore, aumentare linearmente da 369 a 584 gradi Celsius nel corso di 105 minuti e quindi spegnere.
Avviare il programma del forno mentre l'azoto continua a fluire. Arrestare manualmente il flusso di azoto gassoso dopo le cinque ore di mantenimento della temperatura e convogliare l'aria respirabile a 2,8 centimetri al minuto. Lasciare raffreddare il forno a temperatura ambiente una volta terminato il programma di riscaldamento, mantenendo il flusso dell'aria respirabile.
Infine, rimuovere le spugne di zinco raffreddate e segarle o carteggiarle fino alle dimensioni desiderate. Aggiungere 10,5 millilitri di acqua deionizzata in un becher di vetro da 100 millilitri. Quindi aggiungere 0,12 grammi di gomma di cellulosa solubile in acqua ad alta viscosità e mescolare utilizzando uno strumento di agitazione rivestito in plastica.
Agitare e mescolare questa miscela a mano per cinque minuti o fino a quando la gomma di cellulosa non si sarà sciolta. Aggiungere 2,4 grammi di amido di mais mentre si agita il bicchiere per due minuti, quindi aggiungere 120 grammi di polvere di zinco preparata mentre si agita per altri due minuti. Una volta terminato, premere la pasta di zinco risultante nelle cavità dello stampo desiderate e lasciarle asciugare per una notte a 70 gradi Celsius all'aria aperta in un forno.
Dopo l'essiccazione, rimuovere con cura la pasta di zinco dagli stampi e inserirli in un involucro a rete che poggia su un supporto di allumina dentato. Posizionare il gruppo in un forno tubolare con porte per far fluire il gas dentro e fuori dal tubo. Versare l'azoto gassoso nel forno per 30 minuti a una velocità di 5,7 centimetri al minuto per spurgare il forno dall'aria.
Dopo 30 minuti di spurgo, ridurre l'azoto gassoso a una velocità costante di 2,8 centimetri al minuto. Programmare la temperatura del forno in modo che aumenti linearmente da 20 a 369 gradi Celsius nel corso di 68 minuti, mantenerla a 369 gradi Celsius per cinque ore, aumentare linearmente da 369 a 584 gradi Celsius nel corso di 105 minuti e quindi spegnere. Avviare il programma del forno mentre l'azoto continua a fluire.
Dopo cinque ore di mantenimento della temperatura, arrestare manualmente il flusso di azoto gassoso e convogliare l'aria respirabile a 2,8 centimetri al minuto. Lasciare raffreddare il forno a temperatura ambiente una volta terminato il programma di riscaldamento, mantenendo il flusso d'aria respirabile. Infine, rimuovere le spugne di zinco raffreddate e segarle o carteggiarle fino alle dimensioni desiderate.
Questo protocollo è stato utilizzato per produrre spugne di zinco a base di emulsione con densità di 2,8 grammi per centimetro cubo e spugne a base acquosa con densità di 3,3 grammi per centimetro cubo. Le spugne di zinco devono essere rigide e fragili. Le loro sezioni trasversali dovrebbero essere simili a quelle mostrate qui.
Tutte le proprietà delle spugne di zinco risultanti devono rientrare negli intervalli forniti nel manoscritto del testo. L'elettrodo in spugna di zinco mostra una stabilità ciclica a una capacità gravimetrica di 328 milliampere ora per grammo di zinco, che si attesta a una profondità di scarica del 43%. Dopo un esteso ciclo elettrochimico degli elettrodi di zinco costruiti per stimarne l'efficienza, non sono stati osservati dendriti nelle micrografie elettroniche a scansione degli elettrodi in spugna di zinco.
La superficie della spugna di zinco subisce una ristrutturazione durante il ciclismo. Più profondo è il livello di scarica e maggiore è la durata del ciclo, maggiore è la quantità di ristrutturazione. Quando si tenta questo protocollo, ricordarsi di mescolare la miscela con uno strumento rivestito di plastica.
Processi di fabbricazione simili potrebbero essere utilizzati per creare altri tipi di schiume metalliche basate su metalli diversi per numerose applicazioni.
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Panoramica
Questo protocollo descrive un metodo a basso costo per la creazione di elettrodi al rame-zinco ricaricabili che sopprimono efficacemente i dendriti nelle batterie alcaline. La tecnica consente un facile controllo della struttura dell'elettrodo di zinco mediante la regolazione di diversi parametri.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Chimica elettrochimica
- Tecnologia delle batterie
- Scienza dei materiali
Sfondo
- La formazione di dendriti nelle batterie al zinco può causare problemi di prestazione.
- I metodi di produzione standard potrebbero non raggiungere le proprietà desiderate degli elettrodi.
- Le batterie alcaline sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni.
- Migliorare la progettazione dell'elettrodo di zinco può aumentare l'efficienza della batteria.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per la creazione di elettrodi in zinco che minimizzino la crescita di dendriti.
- Esplorare gli effetti della dimensione delle particelle di zinco e del trattamento sulle prestazioni dell'elettrodo.
- Fornire una soluzione economicamente vantaggiosa per la produzione di batterie.
Metodi Utilizzati
- Mescolare acqua deionizzata e decano in un becher di vetro.
- Sciogliere l'SDS nella soluzione per creare una miscela stabile.
- Aggiungere il sale sodico di CMC per migliorare la struttura dell'elettrodo.
- Regolare parametri come dimensione delle particelle e trattamento termico.
Risultati principali
- Gli elettrodi in spugna di zinco hanno mostrato una ridotta formazione di dendriti durante i cicli di carica e scarica.
- La struttura dell'elettrodo poteva essere modellata efficacemente mediante il metodo.
- La densità relativa e le dimensioni delle celle sono state ottimizzate rispetto ai metodi standard.
- L'approccio è scalabile per applicazioni pratiche nelle batterie.
Conclusioni
- Il protocollo sviluppato offre una soluzione praticabile per migliorare le prestazioni delle batterie al zinco.
- I futuri sviluppi potrebbero concentrarsi sull'ulteriore ottimizzazione delle proprietà degli elettrodi.
- Questo metodo può contribuire ai progressi nella tecnologia delle batterie ricaricabili.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La tecnologia dell'elettrodo a spugna di zinco affronta la formazione di dendriti, un modo critico di guasto nelle batterie alcaline ricaricabili, consentendo cicli stabili a profondità di scarica rilevanti dal punto di vista tecnologico. Supprimendo i dendriti che perforano il separatore, questo metodo migliora la durata e la sicurezza dell'elettrodo, sostenendo applicazioni nell'immagazzinamento su rete, nell'elettronica personale, nei veicoli elettrici e nell'aviazione elettrica. L'architettura regolabile permette ai team di ricerca e sviluppo di ottimizzare le proprietà meccaniche ed elettrochimiche per specifiche chimiche delle batterie e obiettivi di prestazione.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi dei meccanismi di stabilità dell'elettrodo di zinco sotto stress elettrochimico.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma riproducibile per valutare strategie di soppressione dei dendriti.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera elettrodi standardizzati a spugna di zinco con architettura porosa regolabile per test elettrochimici riproducibili.
- Valore operativo: Consente lo screening ad alto rendimento di additivi per l'elettrolita e di protocolli di ciclaggio.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Collega l'innovazione dei materiali al rendimento funzionale delle batterie in profili di scarica rilevanti.
- Valore operativo: Consente il progresso valutato in termini di rischi dei concetti di batterie a base di zinco attraverso la fabbricazione validata degli elettrodi.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si inserisce nel percorso di sviluppo delle batterie, che va dalla scoperta dei materiali per elettrodi alla validazione del prototipo, sostenendo una progettazione iterativa dei sistemi di accumulo energetico a base di zinco.
- Biologia della scoperta: Non applicabile; si concentra sull'elettrochimica dei materiali piuttosto che sui sistemi biologici.
- Screening: Permette di ottenere elettrodi al zinco pronti per i saggi, con densità e morfologia controllate, per test di ciclaggio riproducibili.
- Analisi: Produce risultati quantificabili come la capacità gravimetrica (328 mAh/g Zn) e la profondità di scarica (43%) per la valutazione delle prestazioni.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità dalla fabbricazione degli elettrodi su scala di laboratorio a configurazioni di batterie rilevanti per le applicazioni.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma scalabile ed economica per la produzione di elettrodi al zinco in diversi programmi di batterie.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nei modi di guasto dell'elettrodo in zinco sopprimendo la crescita di dendriti.
- Valore operativo: Consente una fabbricazione riproducibile e regolabile degli elettrodi con requisiti minimi di attrezzatura.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento/cessazione riducendo i rischi legati alla stabilità degli elettrodi in zinco nelle fasi iniziali dello sviluppo.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione adeguata ai rischi delle tecnologie per batterie a base di zinco per applicazioni su rete elettrica e mobilità.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella sintesi di materiali e nei test elettrochimici.
- Necessita di un forno tubolare con controllo del flusso di gas inerte e di aria per il trattamento termico.
- Richiede la standardizzazione della preparazione della pasta di zinco e del riempimento dello stampo per garantire coerenza tra i lotti.
- Comporta considerazioni di adattamento quando si passa a scale diverse di dimensioni delle particelle di zinco o a tipi diversi di porogeni.
- Limitato dalla presenza di strutture porose disordinate a basse frazioni volumetriche di zinco (<30%), con effetti negativi sulla resistenza meccanica.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:45
An Emulsion-based Method to Create Zn-sponge Electrodes
3:18
An Aqueous-based Method to Create Zn-sponge Electrodes
5:20
Results: Assessment of Morphological and Functional Characteristics of the Prepared Zinc-sponge Electrodes
6:27
Conclusion
