Name: デンドライトを抑制する亜鉛スポンジ電池電極 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: 学ぶ亜鉛スポンジ電極の低コスト製造法で、アルカリ電池におけるデンドライト形成を抑制します。粒子サイズや熱処理プロトコルの調整により電極構造を容易に制御でき、充電式電池技術の進歩に貢献します。

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この研究は、米国海軍研究局によって資金提供されました。

1. Znスポンジ電極を作成するエマルジョンベースの方法
<ol><li>100 mL ガラスビーカーに2.054 mLの脱イオン水を加えます。</li>
	<li>ビーカーに4.565 mLのデカンを加えます。</li>
	<li>0.1000 ± 0.0003 g のドデシル硫酸ナトリウム (SDS) を溶解するまで撹拌します。</li>
	<li>0.0050 ± 0.0003 gの 水溶性 培地粘度カルボキシメチルセルロース (CMC) ナトリウム塩を手で 5 分間か CMC が完全に溶解するまでかき混ぜます。 注:プラスチックまたはプラスチックコーティングされた攪拌ツールを使用してください。金属表面でツールを使用して攪拌すると、得られるZnスポンジに悪影響を与える可能性があります。</li>
	<li>0.844 ± 0.002 gの 水不溶性 プレスプラウレンカルボキシメチルセルロース樹脂を撹拌します。 注:このタイプの水不溶性樹脂は高価です (USD $420 kg–1)6.</li>
	<li>プラスチックパドルを装備したオーバーヘッドパドルスターラーを使用して、この混合物を1,000 rpmで5分間かき混ぜます。</li>
	<li>Zn粉末50g(平均粒径50μm、ビスマス307ppm、腐食抑制用インジウム307ppm)をビーカーに注ぎ込み、オーバーヘッドスターラーは1,000rpmで回転し続けます。</li>
	<li>同じ速度でZnペーストを1,000rpmで5分間攪拌し続けます。</li>
	<li>攪拌機を停止し、ビーカーを取り除き、ビーカーとその内容物を室温のデシケータで5分間真空下に置いて混合物をアウトガスします。</li>
	<li>Znペーストをポリプロピレンモールド(直径約10mm、高さ約5mm)に入れ、一晩野外乾燥させます。金型の形状は、乾燥したペーストと得られるZnスポンジの形態を決定します。 注: 金型のサイズと形状は異なる場合があります。過去の実験5 は直径が10mm近い円筒形の金型をうまく使用しました。Znペーストを5mm以下の高さまで充填します。高さが短いほど、必要な乾燥時間が短くなります。市販 の金型については、材料表 を参照してください。</li>
	<li>乾燥したZnペーストプリフォームを金型から慎重に取り出し、ノッチアルミナホルダー5、6に置くメッシュケーシングに入れます。 注:例えば、Znスポンジ電極の所望の直径よりもわずかに大きい直径を持つシリンダーに穿孔真鍮シートを曲げることによって、メッシュケーシングを製造します。所望の形状に曲げた後、ホウ素窒化物潤滑油で穿フォー金属シートをスプレーします。</li>
	<li>チューブの中にガスを流し、ガスを流すポートとチューブ炉(直径67mm)にアセンブリを置きます。 注:炉にガスをパイプするには、1つのポート(入口ポート)を使用してください。もう一方(出口口)を使用して、チューブ炉からガスをガスフードに排出します。</li>
	<li>5.7 cm∙分–1の速度で炉に30分間N2ガスをパイプし、空気炉をパージします。 注:ステップ1.13は、N2 ガスのタンクとデジタル制御流量計を、いずれかの入り口ポートに接続されたチューブに接続することで達成できます。ガス流量計は、手動またはコンピュータで制御できます。</li>
	<li>30分パージ後にN2 ガスを2.8cmの∙分–1 の一定の速度にスロットルします。</li>
	<li>炉は68分間で20から369°Cに直線的に温度を上げ、369°Cで5時間保持し、105分の間に369から584 °Cに直線的に上昇し、次にオフにします。</li>
	<li>N2ガスが流れ続けている間、炉プログラムを開始します。</li>
	<li>5時間の温度保持後にN2-ガスの流れを手動で停止し、2.8cm∙分–1で空気を吸い込むパイプ。 注:ステップ1.17は、追加の入り口ポートに接続されたチューブにデジタル制御流量計と呼吸空気(合成空気ではない)のタンクを接続することによって達成することができます。</li>
	<li>加熱プログラムが停止したら、炉をアクティブな冷却せずに室温まで冷却しますが、呼吸空気を流し続けます。</li>
	<li>冷却されたZnスポンジを取り外し、それらを見たり、必要な寸法にそれらを砂で。 メモ:手持ちのロータリーソーや垂直バンドソーなど、さまざまなソーイングツールを使用できます。研磨ブレードまたはダイヤモンドブレードが適切です。</li>
</ol>2. Zn-スポンジ電極を作成する水性ベースの方法
<ol><li>100 mL ガラスビーカーに10.5 mLの脱イオン水を加えます。</li>
	<li>0.120±0.001 gの 水溶性 高粘度セルロースガム(カルボキシメチルセルロース(CMC)ナトリウム塩とも呼ばれる) を攪拌します。 注:プラスチックまたはプラスチックコーティングされた攪拌ツールを使用してください。金属表面でツールを使用して攪拌すると、得られるZnスポンジに悪影響を与える可能性があります。</li>
	<li>ボルテックスを5分間、またはCMCが溶解するまで、この混合物を手でかき混ぜます。</li>
	<li>2.400±0.001gのトウモロコシデンプンをかき混ぜながら、さらに2分間渦巻きます。</li>
	<li>120.00 ± 0.01 gのZn粉末(ビスマスの307 ppm、腐食抑制用インジウム307ppmを含む)を120.00±に攪拌し、さらに2分間ボルテックスします。</li>
	<li>生成された Zn ペーストを目的のモールド キャビティに押し込みます。 注: 金型のサイズと形状は異なる場合があります。過去の実験6 は直径が10mm近い円筒形の金型をうまく使用しました。Znペーストを50mm以下の高さまで充填します。水性ZnペーストはエマルジョンZnペーストよりも乾燥しているので、水性のバージョンは、より少ない乾燥時間を必要とするより大きなスポンジを作るために使用することができます。高さが短いほど、必要な乾燥時間が短くなります。金型は、エマルジョンZnペーストとは異なり、乾燥後に水性Znペーストが最小限に縮むので半分に分割できる必要があります。無塩バターは、デモルディングを助けるために水性Znペーストを押す前に金型を潤滑するために使用することができます。 図1A は、水性ベースのプロトコルに従ってZnペーストを詰めたカスタム加工金型を示しています。 図1B は、手作りメッシュケーシング、ノッチアルミナホルダー、および水系法を用いて作られた得られたZnスポンジを示す。</li>
	<li>Znペースト充填金型を炉内のオープンエアで70°Cで一晩乾燥させます。</li>
	<li>エマルジョンベースの方法で説明されている同じ取り扱いと熱処理手順(1.11~1.19)に従ってください。</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>
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<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>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.、J.W.L.は、亜鉛電極に関する特許を保有しています:米国特許第9802254、10008711、10720635、10763500、EU特許2926395、中国特許第104813521。

これらのプロトコルに関連する変更およびトラブルシューティングには、新しく混合されたZnペーストを金型キャビティに充填する必要があります。エアポケットを避けるために注意する必要があります。充填後または充填中に金型をタップすることで、不要なボイドを減らすことができます。水性Znペーストは乾燥しているため、Znペーストに直接圧力をかけ、金型キャビティを満タンにしながらエアポケットを押し出すことができます。
方法の制限は、Znスポンジ細孔構造が乱れ、Znおよびポロゲン粒子サイズが細孔形態を変えるために使用することができるということです。より秩序があり、より強く、より軽いZnスポンジは、添加物製造を使用して製造することができる。しかし、得られるZnスポンジの機械的および電気化学的特性は、Znとポロゲン質量比およびZnおよびポロゲン粒子5,6の大きさと形状を変化させることにより調整することができる。別の潜在的な制限は、乾燥したZnペーストが壊れやすい可能性があるため、メッシュケ...

報告された製造方法の目的は、デンドライトの形成および形状変化を抑制する亜鉛(Zn)スポンジ電極を作成することである。歴史的に、これらの問題はZn電池のサイクル寿命を制限してきました。亜鉛スポンジ電極は、これらの問題を解決し、長いサイクルの生命を持つZn電池を可能にしました1,2,3,4,5,6.スポンジ構造は、(1)融合されたZnフレームワークがスポンジの全容を電気的に配線するため、樹状突起の形成と形状変化を抑制する。(2)孔はZnスポンジ表面の近くに亜鉛を保持します。(3)スポンジは、アルカリ性電解質7中の樹状突起に同定された値以下の局所電流密度を減少させる高い表面積を有する。しかし、スポンジ表面積が高すぎると、実質的な腐食が5に生じる。スポンジの細孔が大きすぎる場合、スポンジは、低体積容量5を有する。また、スポンジの細孔が小さすぎると、放電中にZnにアクセスするのには、Zn電極が不十分な電解質が得られ、低電力および容量5,6が生じる。
報告された製造方法の背後にある根拠は、適切なスポンジの多孔質および細孔径を有するZnスポンジを作成することである。実験的に、50~70%の多孔質を有するZnスポンジと、10μm近くの孔径がフルセル電池で十分にサイクルし、低い腐食率を示す5を見つけた。我々は、市販の金属フォームを製造する既存の方法は、これらの長さスケール8で同様の形態を達成することができないので、報告された製造方法が必要であることに注意してください。
代替案上でここで報告される方法の利点は、スポンジの特徴の細かい制御と技術的に関連する非現実的容量値5、6、9、10を持つ大きく、密なZnスポンジを製造する能力によって特徴付けられる。Znフォームを作成する別の方法では、50%近くスポンジの多孔質を持つ同等の10 μmの細孔を作成することができない場合があります。しかし、このような代替手段は、高温処理ステップを避けるため、製造に必要なエネルギーが少なくなる可能性があります。代替プロセスは、以下の戦略を含む:冷間焼成Zn粒子11、3次元ホスト構造12、13、14、15、16、17上にZnを堆積させ、Zn箔を2次元フォーム18に切断し、スピノーダル分解19またはパーコレーション溶解20を介してZn発泡体を作成する。
出版された文献のより広い体における報告された方法の文脈は、主にDrilletらの研究によって確立される。彼らは多孔質セラミックスを製造する方法を適応し、電池用の脆弱なZnフォームにもかかわらず、最も初期に報告された3次元の1つを作成しました。しかし、これらの著者は、Zn粒子間の接続性が悪いため、再充電性を実証できなかった。再充電可能なZnスポンジ電極に先立ち、Zn箔電極に代わる最良の代替手段はZn粉末電極であり、そこでZn粉末がゲル電解質と混合された。亜鉛粉末電極は、一次アルカリ電池(Zn–MnO2)で市販されているが、Zn粒子がZn酸化物(ZnO)によって過動化するため、再充電性が悪く、樹状突起の成長に拍車をかける局所電流密度を増加させることができる3,22。我々は、発泡体やスポンジアーキテクチャ23、24を含まない他の樹状突起抑制戦略があることに注意してください。
報告されたZnスポンジの製造方法には、チューブ炉、空気と窒素ガスの供給源(N2)、およびヒュームフードが必要です。すべてのステップは環境制御なしで実験室の机で行うことができるが熱処理の間に管の炉からの排気は煙のフードに渡されるべきである。得られた電極は、高い高いareal容量(>10 mAh cmgeo–2)の可能性のある充電式Zn電極を作成することに興味がある人に適しています。
最初に報告された製造方法は、Zn-スポンジ電極を作成するためのエマルジョンベースのルートです。2 つ目は水性ベースのルートです。エマルジョン経路の利点は、Znペーストを作成する能力であり、乾燥すると、金型キャビティからデボルドしやすい。欠点は、高価な材料への依存です。水の経路のために、スポンジのプリフォームは、デボルドに挑戦することができますが、このプロセスは、安価で豊富な材料を使用しています。
いずれの方法も、Zn粒子と、多孔質および粘度増強剤を混合することを含む。得られた混合物をN2下で加熱し、次いで空気を呼吸する(合成空気ではない)。N2下での加熱時に、Zn粒子のアニールとポロゲンが分解します。呼吸する空気の下で、アニールされたZn粒子が融合し、ポロゲンが燃え尽きる。これらのプロセスは、金属の泡やスポンジを生成します。Znスポンジの機械的および電気化学的特性は、Zn-対ポロゲン質量比、空気下の加熱時間、Znおよび多孔質粒子のサイズと形状を変化させることによって調整することができます。

<table><tbody><tr><td>コーンスターチ</td><td>アルゴ</td><td>該当なし</td><td>これは、ポロゲンおよび粘度向上剤として機能します。</td></tr><tr><td>デカン</td><td>ミリポアシグマ</td><td>D901</td><td></td></tr>中<tr><td>粘度水溶性カルボキシメチルセルロース(CMC)ナトリウム塩</td><td>ミリポアシグマ</td><td>C4888-500G</td><td>このCMCは、主に粘度向上剤として機能します。</td></tr><tr><td>オーバーヘッドスターラー</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Znスポンジ用小型円筒形モデル</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>バイアルのキャップは金型として使用することができます。</td></tr><tr><td>ドデシル硫酸ナトリウム</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>水不溶性 IonSep CMC 52 膨潤したカルボキシメチルセルロース樹脂</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>このCMCは、ポロゲンおよび粘度向上剤として機能します。</td></tr><tr><td>Zn粉末</td><td>EverZinc</td><td>カスタムオーダー</td><td></td></tr></tbody></table>

デンドライトを抑制する亜鉛スポンジ電池電極

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

デンドライト形成を抑制する亜鉛スポンジ電極の作成方法と、再充電可能な亜鉛電池の形状変化を報告する。いずれの方法も、亜鉛粒子、有機ポロゲン、粘度増強剤で作られたペーストを作り、不活性ガスと空気で加熱することを特徴としています。不活性ガス下での加熱時には、亜鉛粒子が一緒にアニーリングし、ポロゲンが分解します。空気の下では、亜鉛のヒューズと残留有機が燃え尽き、開いた細胞の金属フォームまたはスポンジを生み出します。亜鉛とポロゲン質量比、不活性ガスと空気の加熱時間、亜鉛粒子とポロゲン粒子の大きさと形状を変化させることにより、亜鉛スポンジの機械的および電気化学的特性を調整します。報告された方法の利点は、亜鉛スポンジアーキテクチャを細かく調整する能力です。選択した亜鉛粒子とポロゲン粒子のサイズと形状は、細孔構造の形態に影響を与えます。制限は、得られたスポンジが亜鉛の低体積分率(<30%)で低い機械的強度をもたらす無秩序な細孔構造を有していることである。これらの亜鉛スポンジ電極の用途には、グリッドストレージ用の電池、パーソナルエレクトロニクス、電気自動車、電気航空などがあります。ユーザーは、ジンクスポンジ電極がセパレータピアスデンドライトの形成なしに、技術的に関連する速度と非現実的な容量で最大40%の排出深度をサイクルすることが期待できます。

結果として、完全に熱処理されたエマルジョンベースのZnスポンジは2.8 g∙cm-3の密度を有し、水性ベースのスポンジは3.3 g∙cm-3に近づく。空気下での加熱の間に、Znの層は、0.5〜1.0 μmの厚さを有するZn表面に形成される(走査型電子顕微鏡を用いて観察される)5。得られたスポンジ中の固体は、72%Zn(エマルジョンバージョン)または78%Zn(水性バージョン)であり、残りはZnO(X線回折で測定)6である必要があります。両方のスポンジは、50%近くの空隙率、10 μmを中心とする細孔径分布、および4.0 m2の比表面積(水銀侵入ポロシメトリーを介して測定)6を有するべきである。両方のスポンジの引張強度は、1.1-1.2 MPa(ダイアメトラ圧縮で測定)5,6である必要があります...

報告されたプロトコルの目的は、ニッケル亜鉛や亜鉛空気などの亜鉛電池の樹状突起や形状変化を抑制する再充電可能な亜鉛スポンジ電極を作成することです。

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

このプロトコルは、アルカリ電池でサイクルしたときに樹状突起を抑制する亜鉛電極を作成するための簡単で低コストの方法を提供します。この技術の主な利点は、亜鉛粒子サイズ、起源の種類とそのサイズ、または熱処理プロトコルを変更することにより、亜鉛電極の構造を簡単に調整できることです。このプロトコールを使用して作成された金属スポンジは、標準的な金属発泡スチロールの製造方法では達成が困難な相対密度と細胞サイズに分類されます。まず、2.054ミリリットルの脱イオン水と4.565ミリリットルのデカンを100ミリリットルのガラスビーカーに加えます。次に、溶液を攪拌して0.1グラムのSDSを溶解します。次に、ビーカーに5ミリグラムの水溶性中粘度CMCナトリウム塩を加え、5分間または溶解するまで攪拌します。金属表面が結果として生じる亜鉛スポンジに悪影響を与える可能性があるため、プラスチックまたはプラスチックコーティングされた攪拌ツールを使用してください。0.844グラムの水不溶性膨潤前カルボキシメチルセルロース樹脂をビーカーに加えて攪拌します。プラスチックパドルを装備したオーバーヘッドパドルスターラーにビーカーを置き、1, 000 RPMで5分間全体の混合物を攪拌します。50グラムの亜鉛粉末を加え、さらに5分間攪拌を続けます。5分後、スターラーを停止し、ビーカーを取り外します。ビーカーを室温で5分間デシケーターに入れ、混合物とその内容物を真空下で洗い流します。亜鉛ペーストを直径約10mm、高さ約5mmのポリプロピレン型に分けて、ペーストを一晩風乾します。乾燥後、亜鉛ペーストを型から慎重に取り出し、切り欠きのあるアルミナホルダーの上に置かれたメッシュケーシングに入れます。アセンブリを、チューブにガスを出し入れするためのポートを備えたチューブ炉に入れます。窒素ガスを毎分5.7センチメートルの速度で30分間炉にパイプで送り込み、炉内の空気をパージします。30分間のパージ後、窒素ガスを毎分2.8センチメートルの一定速度に絞ります。炉の温度を20°Cから369°Cまで68分間直線的に上昇するようにプログラムし、369°Cで5時間保持し、105分間で369°Cから584°Cまで直線的に上昇し、その後電源を消します。窒素が流れ続けると、炉のプログラムを開始します。5時間の温度保持後、窒素ガスの流れを手動で停止し、毎分2.8センチメートルで呼吸用空気を配管します。加熱プログラムが停止したら、呼吸用空気の流れを維持しながら、炉を室温まで冷まします。最後に、冷却した亜鉛スポンジを取り外し、のこぎりまたは研磨して目的の寸法にします。100ミリリットルのガラスビーカーに10.5ミリリットルの脱イオン水を追加します。次に、0.12グラムの水溶性高粘度セルロースガムを加え、プラスチックコーティングされた攪拌ツールを使用して攪拌します。この混合物を渦に巻き込み、手で5分間、またはセルロースガムが溶解するまで攪拌します。ビーカーを2分間ボルテックスしながら2.4グラムのコーンスターチを加え、次に準備した亜鉛粉末120グラムをさらに2分間ボルテックスしながら加えます。完了したら、得られた亜鉛ペーストを目的の金型キャビティに押し込み、炉内の屋外で摂氏70度で一晩乾燥させます。乾燥後、亜鉛ペーストを型から慎重に取り出し、切り欠きのあるアルミナホルダーの上に置かれたメッシュケーシングに入れます。アセンブリを、チューブにガスを出し入れするためのポートを備えたチューブ炉に入れます。窒素ガスを毎分5.7センチメートルの速度で30分間炉にパイプで送り込み、炉内の空気をパージします。30分間のパージ後、窒素ガスを毎分2.8センチメートルの一定速度に絞ります。炉の温度を20°Cから369°Cまで68分間直線的に上昇するようにプログラムし、369°Cで5時間保持し、105分間で369°Cから584°Cまで直線的に上昇し、その後電源を消します。窒素が流れ続けると、炉のプログラムを開始します。5時間の温度保持後、窒素ガスの流れを手動で停止し、毎分2.8センチメートルで呼吸用空気を配管します。加熱プログラムが停止したら、呼吸用空気の流れを維持しながら、炉を室温まで冷まします。最後に、冷却した亜鉛スポンジを取り外し、希望の寸法にのこぎりまたは研磨します。このプロトコルは、密度が2.8グラム/立方センチメートルのエマルジョンベースの亜鉛スポンジと、密度が3.3グラム/立方センチメートルの水性ベースのスポンジを製造するために使用されました。亜鉛スポンジは硬くてもろいはずです。それらの断面は、ここに示されているもののようになります。得られた亜鉛スポンジのすべての特性は、テキスト原稿に記載されている範囲内に収まる必要があります。亜鉛スポンジ電極は、亜鉛1グラムあたり328ミリアンペア時の重量容量でサイクル安定性を示し、これは43%の放電深度に相当します。構築した亜鉛電極の効率を推定するために、構築した亜鉛電極を広範囲に電気化学的に循環させた結果、亜鉛スポンジ電極の走査型電子顕微鏡写真では樹状突起は観察されませんでした。亜鉛スポンジの表面は、サイクリング中に再構築されます。放電レベルが深く、サイクル寿命が長いほど、リストラの量は多くなります。このプロトコルを試みるときは、プラスチックコーティングされたツールで混合物を攪拌することを忘れないでください。同様の製造プロセスを使用して、さまざまな用途でさまざまな金属をベースにした他のタイプの金属フォームを作成できます。

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Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

プロトコルは、亜鉛/空気電池用に開発以前の技術を使用して、マルチ電子金属/空気電池システムを研究するために提示される。電気化学的テストは、パフォーマンスを評価するために作製した電池に対して行われる。...

VBの作製<sub&gt; 2</sub電気テスト用&gt; /空気電池

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3 電極コイン セル準備およびリチウム イオン電池用電着分析

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ナトリウム酢酸添加剤と水溶性鉛フロー電池の寿命を拡張します。

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In situ透過型電子顕微鏡を用いた全固体電池用コーティングのスクリーニング

ここでは、鉛蓄電池の電極孔隙を測定するためのアルキメデスの原理に基づく簡易かつ低コストのグリセロール置換法を紹介します。この方法は再現性が高く、従来の技術よりも安全であり、低危険な化学薬品や機器を必要とします。この技術とX線回折による微細構造解析を組み合わせることで、バッテリー電極の特性や劣化に関する情報が得られます。...

鉛蓄電池の電極間隙率測定のためのアルキメデス系グリセロール置換

学ぶ亜鉛スポンジ電極の低コスト製造法で、アルカリ電池におけるデンドライト形成を抑制します。粒子サイズや熱処理プロトコルの調整により電極構造を容易に制御でき、充電式電池技術の進歩に貢献します。

デンドライトを抑制する亜鉛スポンジ電池電極

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