Name: Zink-Spons batterij elektroden die dendrieten onderdrukken (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Leer een kosteneffectieve methode voor het maken van zink-spons elektroden die dendrietvorming in alkalische batterijen onderdrukken. Deze techniek maakt eenvoudige afstemming van elektrodenstructuur mogelijk voor verbeterde batterijprestaties.

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

Dit onderzoek werd gefinancierd door het United States Office of Naval Research.

1. Een emulsie-gebaseerde methode om Zn-sponselektroden te maken
<ol><li>Voeg 2.054 ml gedeï gedeï gedeï gedeïdente water toe aan een glazen bekerglas van 100 ml.</li>
	<li>Voeg 4.565 ml decane toe aan het bekerglas.</li>
	<li>Roer 0,1000 ± 0,0003 g natriumdodecylsulfaat (SDS) erdoor tot het is opgelost.</li>
	<li>Roer 0,0050 ± 0,0003 g in water oplosbare medium viscositeit carboxymethylcellulose (CMC) natriumzout met de hand gedurende 5 minuten of totdat de CMC volledig is opgelost. OPMERKING: Gebruik roergereedschap met plastic of plastic coating. Roeren met gereedschap met een metalen oppervlak kan de resulterende Zn-sponzen nadelig beïnvloeden.</li>
	<li>Roer er 0,844 ± 0,002 g wateroplosbare voorweelen carboxymethylcellulosehars door. OPMERKING: Dit type wateroplosbare hars is duur (USD $ 420 kg– 1)6.</li>
	<li>Roer dit mengsel gedurende 5 minuten bij 1.000 tpm met behulp van een overhead paddle roerder uitgerust met een plastic peddel.</li>
	<li>Giet 50 g Zn-poeder (gemiddelde deeltjesgrootte van 50 μm, met 307 ppm bismut en 307 ppm indium voor corrosieonderdrukking) in het bekerglas terwijl de bovengrondse roerder bij 1.000 tpm blijft draaien.</li>
	<li>Blijf de Zn-pasta nog eens 5 minuten roeren met hetzelfde toerental, 1.000 tpm.</li>
	<li>Stop de roerder, verwijder het bekerglas en ontlucht het mengsel door het bekerglas en de inhoud ervan 5 minuten vacuüm in een desiccator op kamertemperatuur te plaatsen.</li>
	<li>Verdeel de Zn-pasta in polypropyleen mallen (~ 10 mm in diameter en ~ 5 mm hoog) en laat ze 's nachts in de open lucht drogen. De vorm van de mal bepaalt de vorm van de gedroogde pasta en de resulterende Zn-sponzen. OPMERKING: Vormgrootte en vorm kunnen variëren. Eerdere experimenten5 gebruiken met succes cilindrische mallen met diameters in de buurt van 10 mm. Vul de Zn-pasta tot een hoogte van 5 mm of minder. Hoe korter de hoogte, hoe korter de vereiste droogtijd. Zie Tabel met materialen voor in de handel verkrijgde matrijzen.</li>
	<li>Verwijder voorzichtig de gedroogde Zn-pastavoorvormen uit de mallen en plaats ze in een gaasbehuizing die rust op een inkeping in aluminiumoxidehouder5,6. OPMERKING: Fabriceer de behuizing van het gaas, bijvoorbeeld door een geperforeerde messing plaat te buigen in een cilinder met een diameter die iets groter is dan de gewenste diameter van de Zn-sponselektrode. Spuit de geperforeerde metalen plaat met boornitride smeermiddel na het buigen in een gewenste vorm.</li>
	<li>Plaats het samenstel in een buisoven (diameter van 67 mm) met poorten om gas in en uit de buis te laten stromen. OPMERKING: Gebruik één poort (de ingangspoort) om gas in de oven te leiden. Gebruik de andere (de uitgangspoort) om gas uit de buisoven in een zuurkast te ontluchten.</li>
	<li>Pijp N2 gas gedurende 30 min in de oven met een snelheid van 5,7 cm∙min–1 om de luchtoven te zuiveren. OPMERKING: Stap 1.13 kan worden bereikt door een tank N2-gas met een digitaal geregelde stroommeter aan te sluiten op een buis die is aangesloten op een van de ingangspoorten. Gasstroommeters kunnen handmatig of door een computer worden bediend.</li>
	<li>Gas geef het N2-gas na de zuivering van 30 minuten een constante snelheid van2,8 cm∙min –1.</li>
	<li>Programmeer de oven om de temperatuur lineair te verhogen van 20 tot 369 °C in de loop van 68 minuten, houd 5 uur vast op 369 °C, verhoog lineair van 369 naar 584 °C in de loop van 105 minuten en schakel vervolgens uit.</li>
	<li>Start het ovenprogramma terwijl het N2-gas blijft stromen.</li>
	<li>Stop handmatig de N2-gasstroom na de 5 uur temperatuurgreep en pijp in ademlucht op 2,8 cm ∙min–1. OPMERKING: Stap 1.17 kan worden bereikt door een tank ademlucht (geen synthetische lucht) met een digitaal geregelde debietmeter aan te sluiten op een buis die is aangesloten op een extra toegangspoort.</li>
	<li>Zodra het verwarmingsprogramma stopt, laat u de oven afkoelen tot kamertemperatuur zonder actieve koeling, maar laat u de ademlucht stromen.</li>
	<li>Verwijder de afgekoelde Zn sponzen en zaag ze en/of schuur ze op de gewenste afmetingen. OPMERKING: Er kan een verscheidenheid aan zaaggereedschappen worden gebruikt, zoals handzagen of verticale lintzagen. Schurende of diamantbladen zijn geschikt.</li>
</ol>2. Een op water gebaseerde methode om Zn-sponselektroden te maken
<ol><li>Voeg 10,5 ml gedeï gedeï gedeïdentealiseerd water toe aan een glazen bekerglas van 100 ml.</li>
	<li>Roer er 0,120 ± 0,001 g in water oplosbare cellulosegom met hoge viscositeit door, ook bekend als carboxymethylcellulose (CMC) natriumzout. OPMERKING: Gebruik roergereedschap met plastic of plastic coating. Roeren met gereedschap met een metalen oppervlak kan de resulterende Zn-sponzen nadelig beïnvloeden.</li>
	<li>Draai en roer dit mengsel met de hand gedurende 5 minuten of totdat de CMC is opgelost.</li>
	<li>Roer 2.400 ± 0,001 g maïszetmeel erdoor terwijl u nog eens 2 minuten vortext.</li>
	<li>Roer 120,00 ± 0,01 g Zn-poeder (gemiddelde deeltjesgrootte van 50 μm, met 307 ppm bismut en 307 ppm indium voor corrosieonderdrukking) terwijl vortexen nog eens 2 minuten duren.</li>
	<li>Druk de resulterende Zn-pasta in de gewenste schimmelholtes. OPMERKING: Vormgrootte en vorm kunnen variëren. Eerdere experimenten6 gebruiken met succes cilindrische mallen met diameters in de buurt van 10 mm. Vul de Zn-pasta tot een hoogte van 50 mm of minder. De waterige Zn-pasta is droger dan de emulsie Zn-pasta, dus de waterige versie kan worden gebruikt om grotere sponzen te maken die minder droogtijd vereisen. Hoe korter de hoogte, hoe korter de vereiste droogtijd. De schimmel moet in tweeën kunnen splitsen omdat de waterige Zn-pasta na het drogen minimaal samentrekt, in tegenstelling tot de emulsie Zn-pasta. Ongezouten boter kan worden gebruikt om de mallen te smeren voordat u de waterige Zn-pasta indrukt om te helpen bij het demolden. Figuur 1A toont de op maat gemaakte mallen verpakt met Zn-pasta volgens het op water gebaseerde protocol. Figuur 1B toont de handgemaakte mesh behuizing, gekerfde aluminiumoxide houder, en resulterende Zn spons gemaakt met behulp van de waterige-gebaseerde methode.</li>
	<li>Laat de met Zn-pasta gevulde mallen 's nachts bij 70 °C in de open lucht drogen in een oven.</li>
	<li>Volg dezelfde behandelings- en warmtebehandelingsstappen (1.11–1.19) die worden beschreven voor de emulsiemethode.</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., en J.W.L. hebben octrooien met betrekking tot zinkelektroden: US Patents no. 9802254, 10008711, 10720635 en 10763500, EU Patent no 2926395 en China Patent no. 104813521.

Wijzigingen en probleemoplossing in verband met deze protocollen omvatten het vullen van de vers gemengde Zn-pasta in een schimmelholte. Zorg ervoor dat luchtzakken worden vermeden. Ongewenste holtes kunnen worden verminderd door op de mal te tikken na het vullen of tijdens het vullen. Omdat de waterige Zn-pasta droog is, kan er direct druk worden uitgeoefend op de Zn-pasta om luchtzakken naar buiten te duwen tijdens het vullen van de schimmelholte.
Een beperking van de methoden is dat de pori...

Het doel van de gerapporteerde fabricagemethoden is om zink (Zn) sponselektroden te maken die dendrietvorming en vormverandering onderdrukken. Historisch gezien hebben deze problemen de levensduur van Zn-batterijen beperkt. Zink-spons elektroden hebben deze problemen opgelost, waardoor Zn batterijen met een langere cyclus leven1,2,3,4,5,6. De sponsstructuur onderdrukt dendrietvorming en vormverandering omdat (1) het gesmolten Zn-raamwerk het hele volume van de spons elektrisch verbindt; (2) de poriën houden zincate in de buurt van het Zn-sponsoppervlak; en (3) de spons heeft een hoog oppervlak dat de lokale stroomdichtheid vermindert onder de waarden die zijn geïdentificeerd om dendrieten in alkalische elektrolyten te ontkiemen7. Als het sponsoppervlak echter te hoog is, treedt aanzienlijke corrosie op5. Als de sponsporiën te groot zijn, heeft de spons een lage volumetrische capaciteit5. Ook, als de sponsporiën te klein zijn, zal de Zn-elektrode onvoldoende elektrolyt hebben om toegang te krijgen tot Zn tijdens het ontladen, wat resulteert in een laag vermogen en capaciteit5,6.
De redenering achter de gerapporteerde fabricagemethoden is om Zn-sponzen te maken met de juiste sponsporositeiten en poriediameters. Experimenteel vinden we dat Zn-sponzen met porositeiten van 50 tot 70% en poriediameters in de buurt van 10 μm goed in volcellige batterijen zitten en lage corrosiesnelheden vertonen5. We merken op dat bestaande methoden voor de productie van commerciële metaalschuimen geen vergelijkbare morfologieën bereiken op deze lengteschalen8, dus de gerapporteerde fabricagemethoden zijn nodig.
De voordelen van de hier gerapporteerde methoden ten opzichte van alternatieven worden gekenmerkt door een fijne controle van sponskenmerken en door het vermogen om grote, dichte Zn-sponzen te fabriceren met technologisch relevante areaalcapaciteitswaarden5,6,9,10. Alternatieve methoden om Zn-schuimen te maken, kunnen mogelijk geen vergelijkbare poriën van 10 μm creëren met sponsporositeiten in de buurt van 50%. Dergelijke alternatieven kunnen echter minder energie nodig hebben om te fabriceren, omdat ze verwerkingsmaatregelen op hoge temperatuur vermijden. Alternatieve processen omvatten de volgende strategieën: koude sinteren Zn deeltjes11, het deponeren van Zn op driedimensionale gastheerstructuren12,13,14,15,16,17, het snijden van Zn folie in tweedimensionale schuimen18, en het creëren van Zn schuimen via spinodale ontbinding19 of percolatie ontbinding20.
De context van de gerapporteerde methoden in het bredere geheel van de gepubliceerde literatuur wordt voornamelijk vastgesteld door werk uit Drillet et al.21. Ze pasten methoden aan om poreus keramiek te fabriceren om een van de vroegst gerapporteerde driedimensionale, zij het fragiele Zn-schuimen voor batterijen te creëren. Deze auteurs hebben echter geen oplaadbaarheid aangetoond, waarschijnlijk vanwege de slechte connectiviteit tussen de Zn-deeltjes. Voorafgaand aan oplaadbare Zn-sponselektroden was het beste alternatief voor een Zn-folieelektrode een Zn-poederelektrode, waarbij Zn-poeder wordt gemengd met een gelelektrolyt. Zinkpoederelektroden worden commercieel gebruikt in primaire alkalinebatterijen (Zn–MnO2), maar hebben een slechte oplaadbaarheid omdat Zn-deeltjes worden ge passiveerd door Zn oxide (ZnO), wat de lokale stroomdichtheid kan verhogen die de dendrietgroeiaanspoort 3,22. We merken op dat er andere dendrietonderdrukkingsstrategieën zijn die geen schuim- of sponsarchitecturen23,24omvatten.
De gerapporteerde Zn-spons fabricagemethoden vereisen een buisoven, bronnen van lucht en stikstofgas (N2)en een zuurkast. Alle stappen kunnen worden uitgevoerd aan een laboratoriumbureau zonder omgevingscontrole, maar uitlaatgassen van de buisoven tijdens warmtebehandeling moeten naar een zuurkast worden geleid. Resulterende elektroden zijn geschikt voor diegenen die geïnteresseerd zijn in het maken van oplaadbare Zn-elektroden met een hoge areale capaciteit (> 10 mAh cmgeo–2)6.
De eerste gerapporteerde fabricagemethode is een emulsiegebaseerde route om Zn-sponselektroden te maken. De tweede, is een waterige route. Een voordeel van de emulsieroute is het vermogen om Zn-pasta te maken die, wanneer gedroogd, gemakkelijk uit een schimmelholte kan worden gedemold. Een nadeel is de afhankelijkheid van dure materialen. Voor de waterige route kunnen sponsvoorvormen een uitdaging zijn om te demolden, maar dit proces maakt gebruik van goedkope en overvloedige materialen.
Beide methoden omvatten het mengen van Zn-deeltjes met een porogeen- en viscositeitsverhogend middel. Het resulterende mengsel wordt verwarmd onder N2 en vervolgens lucht inademen (geen synthetische lucht). Tijdens het verwarmen onder N2ontleden de Zn-deeltjes en het porogene; onder ademlucht fuseren de gegloeide Zn-deeltjes en brandt het porogene uit. Deze processen leveren metaalschuimen of sponzen op. De mechanische en elektrochemische eigenschappen van de Zn-sponzen kunnen worden afgestemd door verschillende Zn-tot-porogen massaverhouding, verwarmingstijd onder N2 en lucht, en grootte en vorm van de Zn- en porogene deeltjes.

<table><tbody><tr><td>Corn starch</td><td>Argo</td><td>Niet van toepassing</td><td>Dit werkt als een porogeen en viscositeitsverhogende stof.</td></tr><tr><td>Decaan</td><td>MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>Midden viscositeit wateroplosbaar carboxymethylcellulose (CMC) natriumzout</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>Deze CMC werkt voornamelijk als viscositeitsverhogende stof.</td></tr><tr><td>Bovenste roerder</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Kleine cilindrische modellen voor Zn sponzen</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>De doppen van de flesjes kunnen als mallen worden gebruikt.</td></tr><tr><td>Natriumdodecylsulfaat</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>Wateronoplosbare IonSep CMC 52 voorgezwollen carboxymethylcellulosehars</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>Deze CMC werkt als een porogeen en viscositeitsverhogende stof.</td></tr><tr><td>Zn poeder</td><td>EverZinc</td><td>Op maat gemaakt</td><td></td></tr></tbody></table>

zink-spons batterij elektroden die dendrieten onderdrukken

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

We rapporteren twee methoden om zinksponselektroden te maken die de dendrietvorming en vormverandering voor oplaadbare zinkbatterijen onderdrukken. Beide methoden worden gekenmerkt door het creëren van een pasta gemaakt van zinkdeeltjes, organisch porogen en viscositeitsverhogend middel dat wordt verwarmd onder een inert gas en vervolgens lucht. Tijdens het verwarmen onder het inerte gas gloeien de zinkdeeltjes samen en ontleedt het porogen; onder de lucht fuseert het zink en brandt het resterende organische uit, wat een opencellig metaalschuim of spons oplevert. We stemmen de mechanische en elektrochemische eigenschappen van de zinksponzen af door verschillende zink-porogene massaverhouding, verwarmingstijd onder inert gas en lucht, en grootte en vorm van de zink- en porogendeeltjes. Een voordeel van de gerapporteerde methoden is hun vermogen om de zinksponsarchitectuur nauwkeurig af te stemmen. De geselecteerde grootte en vorm van de zink- en porogene deeltjes beïnvloeden de morfologie van de poriestructuur. Een beperking is dat resulterende sponzen verstoorde poriestructuren hebben die resulteren in een lage mechanische sterkte bij fracties van zink met een laag volume (<30%). Toepassingen voor deze zinksponselektroden zijn batterijen voor netopslag, persoonlijke elektronica, elektrische voertuigen en elektrische luchtvaart. Gebruikers kunnen verwachten dat zinksponselektroden tot 40% ontladingsdiepte fietsen met technologisch relevante snelheden en areale capaciteiten zonder de vorming van separator-piercing dendrieten.

Resulterende, volledig warmtebehandelde, emulsie-gebaseerde Zn-sponzen hebben dichtheden van 2,8 g∙cm–3, terwijl waterige sponzen 3,3 g∙cm–3benaderen. Tijdens het verwarmen onder de lucht vormt zich een laag ZnO op de Zn-oppervlakken, die een dikte van 0,5-1,0 μm moet hebben (waargenomen met behulp van scanningelektronenmicroscopie)5. De vaste stof in de resulterende sponzen moet 72% Zn (emulsieversie) of 78% Zn (waterige versie) zijn, terwijl de rest ZnO (gemeten door röntge...

Het doel van de gerapporteerde protocollen is om oplaadbare zinksponselektroden te maken die dendrieten en vormverandering in zinkbatterijen, zoals nikkel-zink of zink-lucht, onderdrukken.

Zink-Spons batterij elektroden die dendrieten onderdrukken

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

Dit protocol biedt een eenvoudige, goedkope methode om een zinkelektrode te maken die dendrieten onderdrukt wanneer deze wordt gecycled in een alkalische batterij. Het grote voordeel van deze techniek is dat men de structuur van de zinkelektrode gemakkelijk kan afstemmen door de zinkdeelgrootte te veranderen, het type oorsprong en de grootte, of het warmtebehandelingsprotocol. De metalen spons die met dit protocol wordt gemaakt, valt in de relatieve dichtheid en celgrootte die moeilijk te bereiken zijn met standaard metalen schuimfabricagemethoden.Begin door 2,054 milliliter gedeïoniseerd water en 4,565 milliliter decaan toe te voegen aan een 100 milliliter glazen beker. Los vervolgens 0,1 gram SDS op door de oplossing te roeren. Voeg vervolgens vijf milligram wateroplosbaar CMC-natriumzout met gemiddelde viscositeit toe aan de beker en roer gedurende vijf minuten of tot het is opgelost.Gebruik plastic of met plastic beklede roergereedschappen omdat een metalen oppervlak de resulterende zinksponzen nadelig kan beïnvloeden. Voeg 0,844 gram wateronoplosbare voorgezwollen carboxymethylcellulosehars toe aan de beker en roer. Houd de beker op een overhead-roerwerk met een plastic roer en roer het hele mengsel gedurende vijf minuten op 1.000 RPM.Voeg 50 gram zinkpoeder toe en blijf vijf minuten roeren. Stop na vijf minuten de roerder en verwijder de beker. Plaats de beker vijf minuten in een exsiccator op kamertemperatuur om het mengsel en de inhoud ervan onder vacuüm te verwijderen.Portioneer de zinksel in polypropyleenvormen van ongeveer 10 millimeter diameter en vijf millimeter hoogte om de pasta een nacht te laten drogen. Verwijder na het drogen voorzichtig de zinksel uit de vormen en plaats ze in een gaasbehuizing die op een gekartelde aluminahouder rust. Plaats de assemblage in een buisoven met poorten om gas in en uit de buis te laten stromen.Leidt stikstofgas gedurende 30 minuten met een snelheid van 5,7 centimeter per minuut in de oven om de oven van lucht te ontdoen. Na 30 minuten purgeren, stelt u het stikstofgas in op een constante snelheid van 2,8 centimeter per minuut. Programmeer de temperatuur van de oven om lineair te stijgen van 20 tot 369 graden Celsius gedurende 68 minuten, blijf vijf uur op 369 graden Celsius, stijg lineair van 369 tot 584 graden Celsius gedurende 105 minuten en zet vervolgens uit.Start het ovenprogramma terwijl het stikstof blijft stromen. Stop het stikstofgasstromen handmatig na de vijf uur temperatuurvasthouding en leiding ademlucht in bij 2,8 centimeter per minuut. Laat de oven afkoelen tot kamertemperatuur zodra het verwarmingsprogramma stopt, terwijl de ademlucht blijft stromen.Verwijder ten slotte de afgekoelde zinksponzen en zaag of schuur ze naar de gewenste afmetingen. Voeg 10,5 milliliter gedeïoniseerd water toe aan een 100 milliliter glazen beker. Voeg vervolgens 0,12 gram wateroplosbaar cellulosegom met hoge viscositeit toe en roer met een met plastic bekleed roergereedschap.Vortex en roer dit mengsel vijf minuten met de hand of totdat de cellulosegom is opgelost. Voeg 2,4 gram maïszetmeel toe terwijl u de beker gedurende twee minuten voortdurend roert en voeg vervolgens 120 gram bereide zinkpoeder toe terwijl u gedurende nog eens twee minuten voortdurend roert. Druk de resulterende zinksel in de gewenste malholtes en laat ze een nacht drogen bij 70 graden Celsius in open lucht in een oven.Na het drogen verwijdert u voorzichtig de zinksel uit de vormen en plaatst u ze in een gaasbehuizing die op een gekartelde aluminahouder rust. Plaats de assemblage in een buisoven met poorten om gas in en uit de buis te laten stromen. Leidt stikstofgas gedurende 30 minuten met een snelheid van 5,7 centimeter per minuut in de oven om de oven van lucht te ontdoen.Na 30 minuten purgeren, stelt u het stikstofgas in op een constante snelheid van 2,8 centimeter per minuut. Programmeer de temperatuur van de oven om lineair te stijgen van 20 tot 369 graden Celsius gedurende 68 minuten, blijft vijf uur op 369 graden Celsius, stijg lineair van 369 tot 584 graden Celsius gedurende 105 minuten en zet vervolgens uit. Start het ovenprogramma terwijl het stikstof blijft stromen.Na vijf uur temperatuurvasthouding, stopt u het stikstofgasstromen handmatig en leiding ademlucht in bij 2,8 centimeter per minuut. Laat de oven afkoelen tot kamertemperatuur zodra het verwarmingsprogramma stopt, terwijl de ademlucht blijft stromen. Verwijder tenslotte de afgekoelde zinksponzen en zaag of schuur ze naar de gewenste afmetingen.Dit protocol werd gebruikt om emulsie-gebaseerde zinksponzen met dichtheden van 2,8 gram per kubieke centimeter en water-gebaseerde sponzen met dichtheden van 3,3 gram per kubieke centimeter te produceren. De zinksponzen moeten stijf en bros zijn. Hun dwarsdoorsneden moeten eruitzien als de hier getoonde.Alle eigenschappen van de resulterende zinksponzen moeten binnen de in het tekstmanuscript verstrekte bereiken vallen. De zinksponselektrode vertoont een cyclische stabiliteit bij een gravimetrische capaciteit van 328 milliampère uur per gram zink, wat overeenkomt met een ontlaadgraad van 43%. Na uitgebreide elektrochemische cycling van de geconstrueerde zinkelektroden om hun efficiëntie te schatten, werden er geen dendrieten waargenomen in rasterelektronenmicrografieën van de zinksponselektroden.Het oppervlak van de zinkspons ondergaat herstructurering tijdens het cyclen. Hoe dieper het ontlaadniveau en hoe groter de levensduur van de cyclus, hoe groter de hoeveelheid herstructurering. Denk eraan om bij het uitvoeren van dit protocol de mengsel met een met plastic bekleed gereedschap te roeren.Vergelijkbare fabricageprocessen kunnen worden gebruikt om andere soorten metalen

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Scheikunde

Een protocol wordt voorgesteld om multi-elektron metaal / lucht batterij systemen te bestuderen met behulp van eerdere technologie ontwikkeld voor de zink / lucht cel. Elektrochemische testen wordt dan uitgevoerd op vervaardigde batterijen de prestatie.

Fabricatie van VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cellen voor elektrochemische testen

We beschrijven het gebruik van synchrotron X-straal absorptie spectroscopie (XAS) en röntgendiffractie (XRD) technieken om details van intercalatie / deintercalation processen elektrodematerialen voor Li-ion en Na-ion batterijen probe. Zowel in situ en ex situ experimenten worden gebruikt om structurele gedrag van de werking van inrichtingen relevante begrijpen...

Karakterisering van elektrode materialen voor lithium-ion en Natrium ion accu&#39;s met synchrotron straling Technieken

We beschrijven het ontwerp en de bouw van een elektrochemische cel voor de behandeling van de elektrode materialen met behulp van in situ neutronen poeder diffractie (NPD). We kort ingaan op alternatieve in situ NPD celontwerpen en bespreken methoden voor de analyse van de overeenkomstige in situ NPD data geproduceerd met behulp van deze cel.

In Situ Neutron poederdiffractie behulp Maatwerk Lithium-ion batterijen

Synchrotron-gebaseerde harde X-ray microtomografie wordt gebruikt om de elektrochemische groei van dendrieten van een lithiummetaalelektrode door een membraan van vaste polymeerelektrolyt in beeld te brengen.

Failure Analysis Batterijen met synchrotron gebaseerde Hard X-ray Microtomografie

Niet-waterige elektrodebewerking is essentieel voor de constructie van muntbatterijen en de evaluatie van nieuwe elektrodechemieën voor lithium-ionbatterijen. Er wordt een stapsgewijze handleiding gegeven voor de basispraktijken die nodig zijn als elektrochemisch ingenieur die in een academische experimentele omgeving met batterijen werkt.

Niet-waterige elektrode Verwerking en constructie van Lithium-ion Coin Cells

Een protocol voor de fabrikatie van elektrochemisch actieve LiPON gebaseerde solid-state lithium-ion nanobatteries met behulp van een gerichte ion beam wordt gepresenteerd.

Gerichte Ion Beam fabricage van LiPON gebaseerde Solid-state Lithium-ion Nanobatteries voor het testen van In Situ

De integratie van de referentie-elektroden in een Li-ion-accu biedt waardevolle informatie om te verhelderen degradatie op hoge spanningen. In dit artikel presenteren we een cel ontwerp dat geschikt is voor meerdere referentie-elektroden, samen met de stappen van de vergadering om ervoor te zorgen maximale nauwkeurigheid van de gegevens die zijn verkregen in elektrochemische metingen.

In Situ Lithiated referentie-elektrode: Vier elektrode Design voor In-operando impedantie spectroscopie

Drie-elektrode cellen zijn handig bij het bestuderen van de elektrochemie van lithium-ion batterijen. Dergelijke een elektrochemische opstelling kan de verschijnselen die is gekoppeld aan de kathode en anode worden losgekoppeld en onafhankelijk worden onderzocht. Hier presenteren we een gids voor de bouw en het gebruik van een drie-elektrode knoopcelbatterij met nadruk op lithium plating analytics.

Drie-elektrode Coin Cell voorbereiding en Electrodeposition Analytics voor Lithium-ion batterijen

Een protocol voor de bouw van een oplosbaar lood flow batterij met een langere levensduur, in welke natrium acetaat wordt geleverd in de elektrolyt methanesulfonic als additief, wordt gepresenteerd.

Verlenging van de levensduur van oplosbaar lood Flow batterijen met een natrium acetaat additief

Gebruikmakend van de volumeverandering van Si-nanodeeltjes tijdens (de)lithiatie, beschrijft het huidige protocol een screeningsmethode van potentiële coatings voor all-solid-state batterijen met behulp van in situ transmissie-elektronenmicroscopie.

Screening van coatings voor een volledig solid-state batterij met behulp van in situ transmissie-elektronenmicroscopie

Hier presenteren we een eenvoudige en goedkope glycerolverplaatsingsmethode gebaseerd op het principe van Archimedes voor het meten van de porositeit van loodzuurbatterij-elektroden. De methode toont een goede reproduceerbaarheid en is veiliger dan traditionele technieken, omdat chemicaliën en apparatuur met een laag risico nodig zijn. Door de techniek te combineren met microstructurele analyse via röntgendiffractie wordt informatie verlicht over de eigenschappen en degradatie van de...

Archimedes-gebaseerde glycerolverplaatsing voor het meten van elektrodeporositeit in loodzuurbatterijen

Leer een kosteneffectieve methode voor het maken van zink-spons elektroden die dendrietvorming in alkalische batterijen onderdrukken. Deze techniek maakt eenvoudige afstemming van elektrodenstructuur mogelijk voor verbeterde batterijprestaties.

Zink-Spons batterij elektroden die dendrieten onderdrukken

Meer video's verkennen