Artigo de método

Eletrodos da bateria zinco-esponja que suprimem dendritos

DOI:

10.3791/61770

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29 de setembro de 2020

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1Naval Research Laboratory, National Research Postdoctoral Associate, U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States, 2Surface Chemistry Branch, U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States

Neste artigo

Resumo

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O objetivo dos protocolos relatados é criar eletrodos recarregáveis de zinco-esponja que suprimem dendritos e mudam de forma em baterias de zinco, como níquel-zinco ou zinco-ar.

Resumo

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Relatamos dois métodos para criar eletrodos de esponja de zinco que suprimem a formação de dendrite e a mudança de forma para baterias de zinco recarregáveis. Ambos os métodos são caracterizados pela criação de uma pasta feita de partículas de zinco, porogen orgânico e agente de aumento da viscosidade que é aquecido sob um gás inerte e, em seguida, ar. Durante o aquecimento sob o gás inerte, as partículas de zinco se juntam, e o porogen se decompõe; sob o ar, os fusíveis de zinco e os orgânicos residuais queimam, produzindo uma espuma de metal de célula aberta ou esponja. Nós ajustamos as propriedades mecânicas e eletroquímicas das esponjas de zinco por variadas proporções de massa zinco-porogen, tempo de aquecimento sob gás e ar inertes, e tamanho e forma das partículas de zinco e porógeno. Uma vantagem dos métodos relatados é sua capacidade de ajustar finamente a arquitetura zinco-esponja. O tamanho e a forma selecionados das partículas de zinco e porogen influenciam a morfologia da estrutura dos poros. Uma limitação é que as esponjas resultantes possuem estruturas de poros desordenadas que resultam em baixa resistência mecânica em frações de baixo volume de zinco (<30%). As aplicações para estes eletrodos de esponja de zinco incluem baterias para armazenamento em grade, eletrônicos pessoais, veículos elétricos e aviação elétrica. Os usuários podem esperar que os eletrodos de esponja de zinco pedalem até 40% de profundidade de descarga a taxas tecnologicamente relevantes e capacidades areais sem a formação de dendritos separadores-perfurantes.

Introdução

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O objetivo dos métodos de fabricação relatados é criar eletrodos de esponja de zinco (Zn) que suprimem a formação de dendrite e a mudança de forma. Historicamente, esses problemas limitaram a vida útil do ciclo das baterias Zn. Os eletrodos de esponja de zinco resolveram esses problemas, permitindo baterias Zn com vida de ciclo mais longa1,2,3,4,5,6. A estrutura da esponja suprime a formação de dendrite e a mudança de forma porque (1) a estrutura zn fundida fios eletricame....

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Protocolo

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1. Um método baseado em emulsão para criar eletrodos de esponja Zn

  1. Adicione 2,054 mL de água deionizada a um copo de vidro de 100 mL.
  2. Adicione 4.565 mL de decana ao béquer.
  3. Mexa 0,1000 ± 0,0003 g de sulfato de dodecyl de sódio (SDS) até dissolver.
  4. Mexa em 0,0050 ± 0,0003 g de celulose de carcelulose de viscose média solúvel em água (CMC) à mão por 5 min ou até que o CMC esteja totalmente dissolvido.
    NOTA: Use ferramentas de agitação revestidas de plástico ou plástico. Mexer com ferramentas com uma superfície metálica pode afetar negativamente as esponjas Zn resultantes.
  5. Mexa em 0,844 ± 0,002 g de resina de ....

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Resultados

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Resultantes, totalmente tratadas pelo calor, esponjas Zn baseadas em emulsão têm densidades de 2,8 g∙cm–3 enquanto esponjas baseadas em aquosos se aproximam de 3,3 g∙cm–3. Durante o aquecimento sob o ar, uma camada de ZnO se forma nas superfícies Zn, que deve ter uma espessura de 0,5-1,0 μm (observada usando microscopia eletrônica de varredura)5. O sólido nas esponjas resultantes deve ser de 72% Zn (versão emulsion) ou 78% Zn (versão aquosa) com o restante sendo ZnO (medido p.......

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Discussão

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Modificações e solução de problemas associadas a esses protocolos incluem o preenchimento da pasta Zn recém-misturada em uma cavidade de molde. Deve-se tomar cuidado para evitar bolsões de ar. Os vazios indesejados podem ser diminuídos tocando no molde após o preenchimento ou durante o preenchimento. Como a pasta Zn aquosa está seca, a pressão pode ser aplicada diretamente na pasta Zn para empurrar os bolsos de ar enquanto enche a cavidade do molde.

Uma limitação dos métodos é que a estrutura .......

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Divulgações

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J.F.P., D.R.R., e J.W.L. possuem patentes relacionadas a eletrodos de zinco: patentes dos EUA 9802254, 10008711, 10720635 e 10763500, patente da UE no 2926395 e patente da China no. 104813521.

Agradecimentos

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Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Amido de milhoArgoNão aplicávelAtua como um agente de aumento de porogênio e viscosidade.
DecaneMilliporeSigmaD901
Sal de sódio carboximetilcelulose (CMC) solúvel em água de viscosidade médiaMilliporeSigmaC4888-500GEste CMC atua principalmente como um agente de aumento de viscosidade.
Agitador suspensoCaframo Lab SolutionsBDC3030
Pequenos modelos cilíndricos para esponjas de ZnVWR66014-358As tampas dos frascos podem ser utilizadas como moldes.
Dodecil sulfato de sódioMilliporeSigma436143
Íon insolúvel em águaSep CMC 52 resina de carboximetilcelulose pré-inchadaBIOpHORETICSB45019.01Este CMC atua como um agente de aumento de porogênio e viscosidade.
Pedidode EverZincem pó de Zn
personalizado

Referências

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  1. 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).
  2. Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W.

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