Name: Elektrody akumulatorowe z gąbki cynkowej, które tłumią dendryty (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Poznaj metodę tworzenia niskokosztowych elektrod cynkowych z gąbki, które skutecznie tłumią dendryty w bateriach alkalicznych. Technika umożliwia łatwe dostosowanie struktury elektrody poprzez zmianę wielkości cząstek cynku i parametrów obróbki cieplnej.

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

To badanie zostało sfinansowane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.

1. Metoda tworzenia elektrod z gąbki Zn oparta na emulsji
<ol>
	<li>Dodaj 2,054 ml wody dejonizowanej do szklanej zlewki o pojemności 100 ml.</li>
	<li>Dodać 4,565 ml dekanu do zlewki.</li>
	<li>Wymieszać 0,1000 ± 0,0003 g dodecylosiarczanu sodu (SDS) aż do rozpuszczenia.</li>
	<li>Mieszać ręcznie od 0,0050 ± 0,0003 g rozpuszczalnej w wodzie soli sodowej karboksymetylocelulozy (CMC) o średniej lepkości przez 5 minut lub do całkowitego rozpuszczenia CMC. 
	UWAGA: Używaj plastikowych lub pokrytych tworzywem sztucznym narzędzi do mieszania. Mieszanie narzędziami o metalowej powierzchni może niekorzystnie wpłynąć na powstałe gąbki Zn.</li>
	<li>Wymieszać 0,844 ± 0,002 g nierozpuszczalnej w wodzie, wstępnie spęcznionej żywicy karboksymetylocelulozowej. 
	UWAGA: Ten rodzaj żywicy nierozpuszczalnej w wodzie jest drogi (420 USD za kg–1)<klasa sup="xref">6.</li>
	<li>Mieszaj tę mieszaninę z prędkością 1,000 obr./min przez 5 minut za pomocą mieszadła łopatkowego wyposażonego w plastikową łopatkę.</li>
	<li>Wlać 50 g proszku Zn (średnia wielkość cząstek 50 μm, zawierająca 307 ppm bizmutu i 307 ppm indu w celu tłumienia korozji) do zlewki, podczas gdy mieszadło górne nadal obraca się z prędkością 1 000 obr./min.</li>
	<li>Kontynuuj mieszanie pasty Zn przez dodatkowe 5 minut w tym samym tempie, 1,000 obr./min.</li>
	<li>Zatrzymać mieszadło, wyjąć zlewkę i odgazować mieszaninę, umieszczając zlewkę i jej zawartość w próżni na 5 minut w eksykatorze o temperaturze pokojowej.</li>
	<li>Porcjuj pastę Zn do foremek polipropylenowych (o średnicy ~10 mm i wysokości ~5 mm) i pozostaw do wyschnięcia na świeżym powietrzu przez noc. Kształt formy decyduje o formie wysuszonej pasty i powstałych gąbek Zn. 
	UWAGA: Rozmiar i kształt formy mogą się różnić. Poprzednie eksperymenty5 z powodzeniem używają form cylindrycznych o średnicach bliskich 10 mm. Wypełnij pastę Zn do wysokości 5 mm lub mniejszej. Im krótsza wysokość, tym krótszy wymagany czas schnięcia. Zobacz tabelę materiałów, aby zapoznać się z dostępnymi na rynku formami.</li>
	<li>Ostrożnie wyjmij wysuszone preformy pasty Zn z form i umieść je w siatkowej osłonce, która spoczywa na karbowanym uchwycie z tlenku glinu5,6. 
	UWAGA: Wykonaj obudowę siatkową, na przykład poprzez wygięcie blachy z perforowanego mosiądzu w cylinder o średnicy nieco większej niż pożądana średnica elektrody z gąbki Zn. Spryskaj blachę perforowaną smarem z azotku boru po wygięciu do pożądanego kształtu.</li>
	<li>Umieść zespół w piecu rurowym (o średnicy 67 mm) z otworami do odprowadzania i wyprowadzania gazu z rury. 
	UWAGA: Użyj jednego portu (portu wejściowego) do doprowadzenia gazu do pieca. Użyj drugiego (portu wyjściowego), aby odprowadzić gaz z pieca rurowego do okapu wyciągowego.</li>
	<li>Rura N2 gaz do pieca na 30 minut z szybkością 5,7 cm∙min–1 w celu oczyszczenia pieca z powietrza. 
	UWAGA: Krok 1.13 można osiągnąć, podłączając zbiornik gazuN2 z przepływomierzem sterowanym cyfrowo do rurki podłączonej do jednego z portów wejściowych. Przepływomierze gazu mogą być sterowane ręcznie lub za pomocą komputera.</li>
	<li>Zmniejsz ilość gazu N2 do stałej szybkości 2.8 cm∙min–1 po 30 minutach przedmuchiwania.</li>
	<li>Zaprogramować piec tak, aby podnosił temperaturę liniowo od 20 do 369 °C w ciągu 68 minut, utrzymywał temperaturę 369 °C przez 5 godzin, podnosił liniowo od 369 do 584 °C w ciągu 105 minut, a następnie wyłączał.</li>
	<li>Uruchom program pieca, gdy gazN2 nadal płynie.</li>
	<li>Ręcznie zatrzymać przepływ gazu N2 po upływie 5 godzin utrzymywania temperatury i wtłaczać powietrze do oddychania na poziomie 2.8 cm∙min–1. 
	UWAGA: Krok 1.17 można osiągnąć, podłączając zbiornik z powietrzem do oddychania (nie powietrzem syntetycznym) z przepływomierzem sterowanym cyfrowo do rurki podłączonej do dodatkowego portu wejściowego.</li>
	<li>Po zatrzymaniu programu grzewczego pozwól piecowi ostygnąć do temperatury pokojowej bez aktywnego chłodzenia, ale utrzymuj przepływ powietrza do oddychania.</li>
	<li>Wyjmij schłodzone gąbki Zn i przetnij je i/lub przeszlifuj do żądanych wymiarów. 
	UWAGA: Można używać różnych narzędzi do cięcia, takich jak ręczne piły obrotowe lub pionowe piły taśmowe. Odpowiednie są tarcze ścierne lub diamentowe.</li>
</ol>
2. Wodna metoda tworzenia elektrod z gąbki Zn
<ol>
	<li>Dodaj 10,5 ml wody dejonizowanej do szklanej zlewki o pojemności 100 ml.</li>
	<li>Wymieszać 0,120 ± 0,001 g rozpuszczalnej w wodzie gumy celulozowej o wysokiej lepkości, znanej również jako sól sodowa karboksymetylocelulozy (CMC). 
	UWAGA: Używaj plastikowych lub pokrytych tworzywem sztucznym narzędzi do mieszania. Mieszanie narzędziami o metalowej powierzchni może niekorzystnie wpłynąć na powstałe gąbki Zn.</li>
	<li>Wirować i mieszać tę mieszaninę ręcznie przez 5 minut lub do momentu, gdy CMC się rozpuści.</li>
	<li>Wymieszaj 2.400 ± 0,001 g skrobi kukurydzianej, wirując przez dodatkowe 2 minuty.</li>
	<li>Mieszać od 120,00 ± 0,01 g proszku Zn (średnia wielkość cząstek 50 μm, zawierająca 307 ppm bizmutu i 307 ppm indu w celu tłumienia korozji), wirując przez dodatkowe 2 minuty.</li>
	<li>Wciśnij powstałą pastę Zn do żądanych wnęk formy. 
	UWAGA: Rozmiar i kształt formy mogą się różnić. Poprzednie eksperymenty6 z powodzeniem używają form cylindrycznych o średnicach bliskich 10 mm. Napełnij pastę Zn do wysokości 50 mm lub mniejszej. Wodna pasta Zn jest bardziej sucha niż emulsyjna pasta Zn, dzięki czemu wersja wodna może być używana do wytwarzania większych gąbek, które wymagają krótszego czasu schnięcia. Im krótsza wysokość, tym krótszy wymagany czas schnięcia. Pleśń musi być w stanie podzielić się na pół, ponieważ wodna pasta Zn minimalnie kurczy się po wyschnięciu, w przeciwieństwie do emulsyjnej pasty Zn. Niesolone masło może być używane do smarowania form przed wciskaniem wodnej pasty Zn, aby pomóc w wyjęciu z formy. Rysunek 1A pokazuje specjalnie obrobione formy wypełnione pastą Zn zgodnie z protokołem opartym na wodzie. Rysunek 1B pokazuje ręcznie wykonaną siatkową osłonkę, karbowany uchwyt z tlenku glinu i otrzymaną gąbkę Zn wykonaną metodą wodną.</li>
	<li>Foremki wypełnione pastą Zn pozostawić do wyschnięcia na noc w temperaturze 70 °C na wolnym powietrzu w piecu.</li>
	<li>Postępować zgodnie z tymi samymi etapami obchodzenia się i obróbki cieplnej (1.11–1.19), które opisano dla metody na bazie emulsji.</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. i J.W.L. posiadają patenty związane z elektrodami cynkowymi: patenty amerykańskie nr 9802254, patenty 10008711, 10720635 i 10763500, patent UE nr 2926395 oraz patent chiński nr 104813521.

Modyfikacje i rozwiązywanie problemów związanych z tymi protokołami obejmują napełnianie świeżo zmieszanej pasty Zn do wnęki formy. Należy zachować ostrożność, aby uniknąć kieszeni powietrznych. Niechciane puste przestrzenie można zmniejszyć, stukając w formę po napełnieniu lub podczas napełniania. Ponieważ wodna pasta Zn jest sucha, można wywierać nacisk bezpośrednio na pastę Zn, aby wypchnąć kieszenie powietrzne podczas wypełniania wnęki formy.
Ograniczeniem metod jest to, że struktura porów...

Celem opisanych metod wytwarzania jest stworzenie elektrod z gąbek cynkowych (Zn), które hamują powstawanie dendrytów i zmianę kształtu. Historycznie rzecz biorąc, problemy te ograniczały cykl życia akumulatorów Zn. Elektrody cynkowo-gąbkowe rozwiązały te problemy, umożliwiając akumulatorom Zn wydłużenie cyklu życia1,2,3,4,5,6. Struktura gąbki hamuje tworzenie się dendrytów i zmianę kształtu, ponieważ (1) stopiony szkielet Zn elektrycznie łączy całą objętość gąbki; (2) pory utrzymują w pobliżu powierzchni gąbki Zn; oraz (3) gąbka ma dużą powierzchnię, która zmniejsza lokalną gęstość prądu poniżej wartości zidentyfikowanych jako kiełkowanie dendrytów w elektrolitach alkalicznych<klasa SUP="xref">7. Jeśli jednak powierzchnia gąbki jest zbyt duża, dochodzi do znacznej korozji5. Jeśli pory gąbki są zbyt duże, gąbka będzie miała małą pojemność objętościową5. Ponadto, jeśli pory gąbki są zbyt małe, elektroda Zn będzie miała niewystarczającą ilość elektrolitu, aby uzyskać dostęp do Zn podczas rozładowania, co spowoduje niską moc i pojemność5,6.
Uzasadnieniem dla opisanych metod produkcji jest stworzenie gąbek Zn o odpowiedniej porowatości gąbek i średnicach porów. Eksperymentalnie odkryliśmy, że gąbki Zn o porowatości od 50 do 70% i średnicy porów bliskiej 10 μm dobrze pracują w akumulatorach pełnoogniwowych i wykazują niskie szybkości korozji5. Zwracamy uwagę, że istniejące metody produkcji komercyjnych pianek metalowych nie pozwalają osiągnąć podobnej morfologii w tych skalach długości8, dlatego potrzebne są zgłoszone metody wytwarzania.
Zalety opisanych tutaj metod w porównaniu z alternatywami charakteryzują się precyzyjną kontrolą cech gąbek oraz możliwością wytwarzania dużych, gęstych gąbek Zn o technicznie istotnych wartościach pojemności powierzchniowej5,6,9,10. Alternatywne metody tworzenia pianek Zn mogą nie być w stanie wytworzyć porównywalnych porów 10 μm z porowatością gąbek bliską 50%. Takie alternatywy mogą jednak wymagać mniej energii do wytworzenia, ponieważ unikają etapów przetwarzania w wysokiej temperaturze. Alternatywne procesy obejmują następujące strategie: spiekanie na zimno cząstek Zn11, osadzanie Zn na trójwymiarowych strukturach hosta12,13,14,15,16,17, cięcie folii Zn na dwuwymiarowe pianki18, oraz tworzenie pianek Zn za pomocą Dekompozycja kręgosłupa19 lub rozpuszczenie perkolacyjne20.
Kontekst metod opisanych w szerszej literaturze jest przede wszystkim ustalony przez pracę Drillet et al.21. Dostosowali metody wytwarzania porowatej ceramiki, aby stworzyć jedną z najwcześniejszych opisanych trójwymiarowych, choć delikatnych, pianek Zn do baterii. Autorzy ci nie wykazali jednak możliwości ładowania, prawdopodobnie z powodu słabej łączności między cząstkami Zn. Przed wprowadzeniem ładowalnych elektrod gąbczastych Zn najlepszą alternatywą dla elektrody foliowej Zn była elektroda proszkowa Zn, w której proszek Zn miesza się z elektrolitem żelowym. Elektrody cynkowo-proszkowe są komercyjnie stosowane w pierwotnych bateriach alkalicznych (Zn–MnO2), ale mają słabą zdolność ładowania, ponieważ cząstki Zn ulegają pasywacji tlenku Zn (ZnO), co może zwiększyć lokalną gęstość prądu, co pobudza wzrost dendrytów3,22. Zwracamy uwagę, że istnieją inne strategie tłumienia dendrytów, które nie obejmują architektury pianki lub gąbki23,24.
Opisane metody wytwarzania gąbek Zn wymagają pieca rurowego, źródeł powietrza i azotu (N2) oraz dygestoriów. Wszystkie czynności można wykonać przy biurku laboratoryjnym bez kontroli środowiska, ale spaliny z pieca rurowego podczas obróbki cieplnej powinny być odprowadzane do dygestoriów. Powstałe elektrody są odpowiednie dla osób zainteresowanych tworzeniem ładowalnych elektrod Zn o dużej pojemności powierzchniowej (> 10 mAh cmgeo–2)6.
Pierwszą opisaną metodą wytwarzania jest metoda oparta na emulsji do tworzenia elektrod z gąbki Zn. Druga to trasa wodna. Zaletą drogi emulsji jest jej zdolność do tworzenia pasty Zn, która po wysuszeniu jest łatwa do wyjęcia z formy z gniazda formy. Wadą jest uzależnienie od drogich materiałów. W przypadku drogi wodnej preformy gąbek mogą być trudne do wyjęcia z formy, ale proces ten wykorzystuje niedrogie i obfite materiały.
Obie metody polegają na mieszaniu cząsteczek Zn z porogenem i środkiem zwiększającym lepkość. Powstałą mieszaninę ogrzewa się podN2, a następnie oddycha powietrzem (nie powietrzem syntetycznym). Podczas ogrzewania podN2 cząstki Zn wyżarzają się, a porogen ulega rozkładowi; pod wpływem powietrza wyżarzone cząstki Zn łączą się, a porogen wypala się. W wyniku tych procesów powstają pianki metalowe lub gąbki. Właściwości mechaniczne i elektrochemiczne gąbek Zn można dostroić poprzez zmianę stosunku masy Zn do porogenu, czasu nagrzewania podN2 i powietrzem oraz wielkości i kształtu cząstek Zn i porogenu.

<table><tbody><tr><td>Skrobia kukurydziana</td><td>Argo</td><td>Nie dotyczy</td><td>Działa jako środek porogen i zwiększający lepkość.</td></tr><tr><td>Dekan</td><td>, MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>Rozpuszczalna w wodzie sól sodowa karboksymetylocelulozy (CMC) o średniej lepkości</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>Ten CMC działa przede wszystkim jako środek zwiększający lepkość.</td></tr><tr><td>Mieszadło górne</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Małe cylindryczne modele do gąbek Zn</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>Nasadki fiolek mogą być używane jako formy.</td></tr><tr><td>Dodecylosiarczan sodu</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>Nierozpuszczalny w wodzie IonSep CMC 52 prespalone żywica karboksymetylocelulozowa</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>Ten CMC działa jako środek porogowy i zwiększający lepkość.</td></tr><tr><td>Zn proszek</td><td>EverZinc</td><td>Na zamówienie</td><td></td></tr></tbody></table>

elektrody akumulatorowe z gąbki cynkowej, które tłumią dendryty

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

Zgłaszamy dwie metody tworzenia elektrod z gąbek cynkowych, które hamują powstawanie dendrytów i zmianę kształtu dla akumulatorów cynkowych. Obie metody charakteryzują się tworzeniem pasty wykonanej z cząstek, organicznego porogenu i środka zwiększającego lepkość, który jest podgrzewany pod gazem obojętnym, a następnie powietrzem. Podczas ogrzewania w gazie obojętnym cząsteczki wyżarzają się razem, a porogen ulega rozkładowi; Pod wpływem powietrza topi się, a resztki organiczne wypalają się, tworząc metalową piankę lub gąbkę o otwartych komórkach. Dostrajamy właściwości mechaniczne i elektrochemiczne gąbek cynkowych poprzez zmianę stosunku masy do porogenu, czasu nagrzewania w gazie obojętnym i powietrzu oraz wielkości i kształtu cząstek i porogenu. Zaletą opisywanych metod jest ich zdolność do precyzyjnego dostrojenia architektury cynkowo-gąbczastej. Wybrana wielkość i kształt cząstek i porogenu wpływa na morfologię struktury porów. Ograniczeniem jest to, że powstałe gąbki mają nieuporządkowane struktury porów, co skutkuje niską wytrzymałością mechaniczną przy niskich frakcjach objętościowych (<30%). Zastosowania tych elektrod cynkowo-gąbczastych obejmują akumulatory do magazynowania w sieci, elektroniki osobistej, pojazdów elektrycznych i lotnictwa elektrycznego. Użytkownicy mogą oczekiwać, że elektrody cynkowo-gąbczaste będą cyklicznie wykonywać do 40% głębokości rozładowania z prędkością odpowiednią z technologicznego punktu widzenia i wydajnością powierzchniową bez tworzenia dendrytów przebijających separatory.

Otrzymane, w pełni poddane obróbce termicznej gąbki Zn oparte na emulsji mają gęstość 2,8 g∙cm–3, natomiast gąbki oparte na roztworach wodnych osiągają gęstość bliską 3,3 g∙cm–3. Podczas ogrzewania na powietrzu na powierzchniach Zn tworzy się warstwa ZnO, której grubość powinna wynosić 0,5–1,0 µm (zaobserwowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej)5. Faza stała w otrzymanych gąbkach powinna składać się w 72% z Zn (wersja emulsyjna) lub 78% z Zn (wersja wodna), przy ...

Celem zgłoszonych protokołów jest stworzenie ładowalnych elektrod z gąbki cynkowej, które tłumią dendryty i zmianę kształtu w bateriach cynkowych, takich jak nikiel-czy-powietrze.

Elektrody akumulatorowe z gąbki cynkowej, które tłumią dendryty

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

Protokół ten zapewnia łatwą i tanią metodę tworzenia elektrody cynkowej, która tłumi dendryty podczas cyklicznego stosowania w baterii alkalicznej. Główną zaletą tej techniki jest to, że można łatwo dostroić strukturę elektrody cynkowej poprzez zmianę wielkości cząstek, rodzaju pochodzenia i jego wielkości lub protokołu obróbki cieplnej. Metalowa gąbka utworzona przy użyciu tego protokołu wpada w względną gęstość i rozmiar komórek, które mogą być trudne do osiągnięcia przy użyciu standardowych metod produkcji pianki metalowej.Zacznij od dodania 2.054 mililitra wody dejonizowanej i 4.565 mililitra dekanu do 100-mililitrowej szklanej zlewki. Następnie rozpuść 0,1 grama SDS, mieszając roztwór. Następnie dodaj do zlewki pięć miligramów rozpuszczalnej w wodzie soli sodowej CMC o średniej lepkości i mieszaj przez pięć minut lub do rozpuszczenia.Używaj plastikowych lub pokrytych tworzywem sztucznym narzędzi do mieszania, ponieważ metalowa powierzchnia może niekorzystnie wpływać na powstałe gąbki cynkowe. Dodaj i wymieszaj 0,844 grama nierozpuszczalnej w wodzie, wstępnie spęczniałej żywicy karboksymetylocelulozowej do zlewki. Trzymaj zlewkę na mieszadle łopatkowym nad głową wyposażonym w plastikową łopatkę i mieszaj całą mieszaninę z prędkością 1 000 obr./min przez pięć minut.Dodaj 50 gramów w proszku i kontynuuj mieszanie jeszcze przez pięć minut. Po pięciu minutach zatrzymaj mieszadło i wyjmij zlewkę. Umieścić zlewkę w eksykatorze na pięć minut w temperaturze pokojowej, aby usunąć mieszaninę i jej zawartość pod próżnią.Porcjuj pastę cynkową do foremek polipropylenowych o średnicy około 10 milimetrów i wysokości pięciu milimetrów, aby wysuszyć pastę na powietrzu przez noc. Po wyschnięciu ostrożnie wyjmij pastę cynkową z form i umieść je w siatkowej osłonce, która spoczywa na karbowanym uchwycie z tlenku glinu. Umieść zespół w piecu rurowym z portami do przepływu gazu do i z rury.Wtłaczaj azot do pieca przez 30 minut z prędkością 5,7 centymetra na minutę, aby oczyścić piec z powietrza. Po 30 minutach przedmuchiwania zmniejsz dopływ azotu do stałej prędkości 2,8 centymetra na minutę. Zaprogramuj temperaturę pieca tak, aby rosła liniowo od 20 do 369 stopni Celsjusza w ciągu 68 minut, utrzymuj ją na poziomie 369 stopni Celsjusza przez pięć godzin, wzrastaj liniowo od 369 do 584 stopni Celsjusza w ciągu 105 minut, a następnie wyłącz.Uruchom program pieca, gdy azot będzie nadal przepływał. Po pięciu godzinach utrzymywania temperatury należy ręcznie zatrzymać przepływ azotu i wdmuchiwać powietrze z prędkością 2,8 centymetra na minutę. Pozwól piecowi ostygnąć do temperatury pokojowej po zatrzymaniu programu grzewczego, utrzymując przepływ powietrza do oddychania.Na koniec usuń schłodzone gąbki cynkowe i przetnij je lub przeszlifuj do żądanych wymiarów. Dodaj 10,5 mililitra wody dejonizowanej do 100-mililitrowej szklanej zlewki. Następnie dodaj 0,12 grama rozpuszczalnej w wodzie gumy celulozowej o wysokiej lepkości i wymieszaj za pomocą mieszadła pokrytego tworzywem sztucznym.Wiruj i mieszaj tę mieszaninę ręcznie przez pięć minut lub do momentu, gdy guma celulozowa się rozpuści. Dodaj 2,4 grama skrobi kukurydzianej, wirując zlewkę przez dwie minuty, a następnie dodaj 120 gramów przygotowanego w proszku, wirując przez dodatkowe dwie minuty. Po zakończeniu wciśnij powstałą pastę cynkową do pożądanych wnęk formy i pozostaw je do wyschnięcia na noc w temperaturze 70 stopni Celsjusza na świeżym powietrzu w piecu.Po wyschnięciu ostrożnie wyjmij pastę cynkową z form i umieść je w siatkowej osłonce, która spoczywa na karbowanym uchwycie z tlenku glinu. Umieść zespół w piecu rurowym z portami do przepływu gazu do i z rury. Wtłaczaj azot do pieca przez 30 minut z prędkością 5,7 centymetra na minutę, aby oczyścić piec z powietrza.Po 30 minutach przedmuchiwania zmniejsz dopływ azotu do stałej prędkości 2,8 centymetra na minutę. Zaprogramuj temperaturę pieca tak, aby rosła liniowo od 20 do 369 stopni Celsjusza w ciągu 68 minut, utrzymuj ją na poziomie 369 stopni Celsjusza przez pięć godzin, wzrastaj liniowo od 369 do 584 stopni Celsjusza w ciągu 105 minut, a następnie wyłącz. Uruchom program pieca, gdy azot będzie nadal przepływał.Po pięciu godzinach utrzymywania temperatury należy ręcznie zatrzymać przepływ azotu i wtłaczać powietrze do oddychania z prędkością 2,8 centymetra na minutę. Pozwól piecowi ostygnąć do temperatury pokojowej po zatrzymaniu programu grzewczego, utrzymując przepływ powietrza do oddychania. Na koniec wyjmij schłodzone gąbki cynkowe i przetnij je lub przeszlifuj do żądanych wymiarów.Protokół ten zastosowano do produkcji gąbek cynkowych na bazie emulsji o gęstości 2,8 grama na centymetr sześcienny oraz gąbek na bazie wody o gęstości 3,3 grama na centymetr sześcienny. Gąbki cynkowe powinny być sztywne i kruche. Ich przekroje powinny wyglądać podobnie do pokazanych tutaj.Wszystkie właściwości powstałych gąbek cynkowych powinny mieścić się w zakresach podanych w manuskrypcie. Elektroda z gąbki cynkowej wykazuje stabilność cykliczną przy pojemności grawimetrycznej 328 miliamperogodzin na gram, co odpowiada 43% głębokości rozładowania. Po intensywnych cyklach elektrochemicznych skonstruowanych elektrod cynkowych w celu oszacowania ich wydajności, nie zaobserwowano dendrytów w skaningowych mikrografiach elektronowych elektrod z gąbki cynkowej.Powierzchnia gąbki cynkowej ulega restrukturyzacji podczas jazdy na rowerze. Im głębszy poziom rozładowania i im dłuższy cykl życia, tym większa ilość restrukturyzacji. Wypróbowując ten protokół, pamiętaj, aby wymieszać mieszaninę za pomocą narzędzia pokrytego tworzywem sztucznym.Podobne procesy produkcyjne można wykorzystać do tworzenia innych rodzajów pianek metalowych na bazie różnych metali do wielu zastosowań.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przedstawiono protokół do badania wieloelektronowych systemów baterii metalowo-powietrznych przy użyciu poprzedniej technologii opracowanej dla ogniwa cynkowo-powietrznego. Następnie przeprowadza się testy elektrochemiczne na wyprodukowanych akumulatorach w celu oceny wydajności.

Produkcja ogniw VB2/Air do badań elektrochemicznych

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Opisujemy projekt i budowę ogniwa elektrochemicznego do badania materiałów elektrodowych za pomocą dyfrakcji proszków neutronów in situ (NPD). Pokrótce omówimy alternatywne projekty komórek NPD in situ i omówimy metody analizy odpowiadających im danych NPD in situ uzyskanych przy użyciu tej komórki.

In Situ Dyfrakcja proszku neutronowego przy użyciu niestandardowych akumulatorów litowo-jonowych

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Niewodne przetwarzanie elektrod jest kluczowe dla budowy ogniw pastylkowych i oceny nowych chemii elektrod dla akumulatorów litowo-jonowych. Dostępny jest przewodnik krok po kroku po podstawowych praktykach potrzebnych inżynierowi elektrochemikowi pracującemu z bateriami w akademickich warunkach eksperymentalnych.

Niewodne przetwarzanie elektrod i budowa litowo-jonowych ogniw pastylkowych

Przedstawiono protokół wytwarzania elektrochemicznie aktywnych nanobaterii litowo-jonowych litowo-jonowych na bazie litów litowo-jonowych opartych na elektrochemicznie aktywnych LiPON przy użyciu skupionej wiązki jonów.

Produkcja skupionej wiązki jonów półprzewodnikowych nanobaterii litowo-jonowych na bazie LiPON do testów in situ

Włączenie elektrod referencyjnych do akumulatora litowo-jonowego dostarcza cennych informacji do wyjaśnienia mechanizmów degradacji przy wysokich napięciach. W tym artykule przedstawiamy konstrukcję ogniwa, która mieści wiele elektrod referencyjnych, wraz z etapami montażu w celu zapewnienia maksymalnej dokładności danych uzyskanych w pomiarach elektrochemicznych.

Elektroda referencyjna litiowana in situ: konstrukcja z czterema elektrodami do spektroskopii impedancyjnej in-operando

Ogniwa trzyelektrodowe są przydatne w badaniu elektrochemii akumulatorów litowo-jonowych. Taki układ elektrochemiczny pozwala na odsprzęgnięcie i niezależne badanie zjawisk związanych z katodą i anodą. W tym miejscu przedstawiamy przewodnik dotyczący budowy i użytkowania trzyelektrodowego ogniwa pastylkowego z naciskiem na analitykę litowania.

Przygotowanie trzyelektrodowych ogniw pastylkowych i analiza elektroosadzania akumulatorów litowo-jonowych

Przedstawiono protokół budowy rozpuszczalnego akumulatora przepływowego o przedłużonej żywotności, w którym octan sodu jest dostarczany w elektrolicie metanosulfonowym jako dodatek.

Wydłużenie żywotności rozpuszczalnych akumulatorów przepływowych ołowiowych z dodatkiem octanu sodu

Wykorzystując zmianę objętości nanocząstek Si podczas (de)litacji, obecny protokół opisuje metodę przesiewową potencjalnych powłok dla baterii półprzewodnikowych za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ.

Przesiewanie powłok dla baterii półprzewodnikowej przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Przedstawiamy tutaj prostą i tańszą metodę wypróżniania glicerolu opartą na zasadzie Archimedesa do pomiaru porowatości elektrod akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Metoda ta wykazuje dobrą powtarzalność i jest bezpieczniejsza niż tradycyjne techniki, wymagając niskoniebezpiecznych chemikaliów i sprzętu. Połączenie tej techniki z analizą mikrostrukturalną za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej dostarcza informacji o właściwościach elektrod baterii i ich degradacji.

Wypor glicerolu na bazie Archimedesa do pomiaru porowatości elektrod w akumulatorach kwasowo-ołowiowych

Poznaj metodę tworzenia niskokosztowych elektrod cynkowych z gąbki, które skutecznie tłumią dendryty w bateriach alkalicznych. Technika umożliwia łatwe dostosowanie struktury elektrody poprzez zmianę wielkości cząstek cynku i parametrów obróbki cieplnej.

Elektrody akumulatorowe z gąbki cynkowej, które tłumią dendryty

Przeglądaj więcej filmów