보고된 프로토콜의 목표는 니켈-아연 또는 아연 공기와 같은 아연 배터리의 담장과 모양 변화를 억제하는 충전식 아연 스폰지 전극을 만드는 것입니다.
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이 논문에서
요약
초록
우리는 충전식 아연 배터리에 대한 담장 형성과 모양 변화를 억제 아연 스폰지 전극을 만드는 두 가지 방법을보고합니다. 두 방법 모두 아연 입자, 유기 포로겐 및 불활성 가스 하에서 가열된 점도 향상 제고제및 공기로 만든 페이스트를 만드는 것이 특징입니다. 불활성 가스 하에서 가열하는 동안 아연 입자가 함께 음극을 생성하고 포로겐이 분해됩니다. 공기 아래에서 아연은 융합되고 잔류 유기체가 타워서 오픈 셀 메탈 폼이나 스폰지를 생성합니다. 아연 대 포로겐 질량 비율, 불활성 가스 및 공기 하에서의 가열 시간, 아연 및 포로겐 입자의 크기와 모양에 의해 아연 스폰지의 기계적 및 전기 화학적 특성을 조정합니다. 보고된 방법의 장점은 아연 스폰지 아키텍처를 미세조정하는 능력입니다. 아연 및 포로겐 입자의 선택된 크기와 모양은 모공 구조의 형태에 영향을 미칩니다. 한계는 결과 스폰지 아연 (<30 %)의 낮은 볼륨 분수에서 낮은 기계적 강도의 결과 모공 구조를 무질서했다는 것입니다. 이러한 아연 스폰지 전극의 응용 분야에는 그리드 스토리지, 개인 전자 제품, 전기 자동차 및 전기 항공용 배터리가 포함됩니다. 사용자는 분리기 피어싱 인 dendrites의 형성없이 기술적으로 관련된 속도와 areal 용량으로 최대 40 %의 방전 깊이를 순환 아연 스폰지 전극을 기대할 수 있습니다.
서론
보고된 제조 방법의 목적은 담장 형성 및 모양 변화를 억제하는 아연(Zn) 스폰지 전극을 만드는 것이다. 역사적으로 이러한 문제로 Zn 배터리의 사이클 수명이 제한되었습니다. 아연 스폰지 전극은 이러한 문제를 해결하여 사이클 수명이 길어지면 Zn배터리가 1,2,3,4,5,6을사용할 수 있도록 합니다. 스폰지 구조는 (1) 융합 된 Zn 프레임 워크가 스폰지의 전체 부피를 전기적으로 와이어하기 때문에 원원지 형성 및 모양 변화를 억제합니다. (2) 모공은 Zn 스폰지 표면 근처에 진케이트를 고정; (3) 스폰지는 알칼리성 전해질7에서발아 물자로 식별된 값 보다 낮은 국면 밀도를 감소시키는 높은 표면적을 갖는다. 그러나 스폰지 표면적이 너무 높으면 상당한 부식이발생합니다 5. 스폰지 모공이 너무 큰 경우, 스폰지는 낮은 볼륨 용량을해야합니다
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프로토콜
1. Zn 스폰지 전극을 만드는 에멀젼 기반 방법
- 100mL 유리 비커에 2.054mL의 탈온화된 물을 넣습니다.
- 비커에 4.565 mL의 디칸을 추가합니다.
- 0.1000 ± 0.0003 g의 나트륨 도데킬 황산염(SDS)을 녹일 때까지 저어줍니다.
- 0.0050 ± 0.0003 g의 수용성 중점성 카르복티메틸 셀룰로오스(CMC) 나트륨 소금을 5분 간 또는 CMC가 완전히 용해될 때까지 저어줍니다.
참고: 플라스틱 또는 플라스틱 코팅 교반 도구를 사용합니다. 금속 표면으로 공구로 교반하면 Zn 스폰지에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. - 0.844 ± 0.002 g의 수불 불용성 프리스멜렌 카박스티메틸 셀룰로오스 수지를 넣고 저어줍니다.
참고: 이러한 유형의 용해성 수지는 비쌉니다(USD$420 kg-1)6. - 이 혼합물을 1,000rpm에서 5분 간 저은 후륜위에 플라스틱 패들 이드러를 장착했습니다.
- 50g의 Zn 분말(평균 입자 크기 50 μm, 비스무트 307ppm, 부식 억제용 인듐 307 ppm 포함)을 비커에 붓고 오버헤드 교반기는 1,000rpm에서 계속 ....
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결과
그 결과, 완전히 열 처리된 에멀젼 기반 Zn 스폰지는 밀도가 2.8g(3cm)인 반면 수성 기반 스폰지는 3.3g∙cm-3에접근한다. 공기 아래 가열하는 동안 ZnO 층은 Zn 표면에 형성되며 두께는 0.5-1.0 μm (스캐닝 전자 현미경 을 사용하여 관찰)5. 결과 스폰지의 고체는 72% Zn(에멀젼 버전) 또는 78% Zn(수성 버전)이어야 하며 나머지는 ZnO(X선 회절로 측정됨)6. 두 스폰지 모두 10 μm을 중심으로 50 %, 모공 직경 분포, 4.0 m∙2g-1의 특정 표면 영역 (수은 침입 porosimetry을 통해 측정)6에 가까운 다공성을 가져야한다. 두 스폰지의 인장 강도는 1.1-1.2 MPa (다이머럴 압축으로 측정)5,
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토론
이러한 프로토콜과 관련된 수정 및 문제 해결에는 갓 혼합된 Zn 페이스트를 금형 캐비티로 채우는 것이 포함됩니다. 에어 포켓을 피하기 위해 주의해야 합니다. 원치 않는 공극은 충전 후 또는 충전하는 동안 금형을 눌러 감소 될 수있다. 수성 Zn 페이스트가 건조하기 때문에 음파 페이스트에 직접 압력을 가하여 금형 캐비티를 채우는 동안 공기 주머니를 밀어 낼 수 있습니다.
방법의 한계는 Zn 스폰지 모공 구조가 무질서하다는 것입니다, 그러나 Zn 및 porogen 입자 크기는 모공 형태를 바꾸기 위하여 이용될 수 있습니다. 더 주문하 고 잠재적으로 더 강하고 가벼운 Zn 스폰지 적정 제조를 사용 하 여 제조 될 수 있습니다. 그러나 생성된 Zn 스폰지의 기계적 및 전기화학적 특성은 Zn 대 porogen 질량 비 및 Zn 및 porogen입자의크기 및 형상을5,6으로조정할 수 있.......
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공개 사항
J.F.P., D.R.R., J.W.L.은 아연 전극과 관련된 특허를 보유하고 있습니다: 미국 특허 no. 9802254, 10008711, 10720635, 10763500, EU 특허 2926395, 중국 특허 104813521.
감사의 글
이 연구는 미국 해군 연구국에 의해 지원되었다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 옥수수 전분 | Argo | 해당 없음 | 이것은 포로겐 및 점도 향상제로 작용합니다. |
| Decane | MilliporeSigma | D901 | |
| 중점도 수용성 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 나트륨염 | MilliporeSigma | C4888-500G | 이 CMC는 주로 점도 향상제로 작용합니다. |
| 오버 헤드 교반기 | Caframo Lab Solutions | BDC3030 | |
| Zn 스폰지 용 소형 원통형 모델 | VWR | 66014-358 | 바이알의 캡은 금형으로 사용할 수 있습니다. |
| 나트륨 도데 실 설페이트 | MilliporeSigma | 436143 | |
| 수 불용성 IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin | BIOpHORETICS | B45019.01 | 이 CMC는 포로겐 및 점도 향상제로 작용합니다. |
| Zn 분말 | EverZinc | 맞춤 주문 |
참고문헌
- Parker, J. F., et al. Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).
- Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W.
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재인쇄 및 허가
