Eletrodos da bateria zinco-esponja que suprimem dendritos
29 de setembro de 2020
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.
Este protocolo fornece um método fácil e de baixo custo de criar um eletrodo de zinco que suprime dendritos quando ciclado em uma bateria alcalina. A principal vantagem desta técnica é que se pode ajustar facilmente a estrutura do eletrodo de zinco alterando o tamanho da partícula de zinco, o tipo de origem e seu tamanho ou o protocolo de tratamento térmico. A esponja de metal criada usando este protocolo se enquadra na densidade relativa e no tamanho da célula que pode ser difícil de alcançar usando métodos padrão de fabricação de espuma de metal.
Comece adicionando 2.054 mililitros de água deionizada e 4.565 mililitros de decano a um copo de vidro de 100 mililitros. Em seguida, dissolva 0,1 grama de SDS agitando a solução. Em seguida, adicione cinco miligramas de sal de sódio CMC de viscosidade média solúvel em água ao copo e mexa por cinco minutos ou até dissolver.
Use ferramentas de agitação de plástico ou revestidas de plástico, pois uma superfície metálica pode afetar adversamente as esponjas de zinco resultantes. Adicione e agite 0,844 gramas de resina de carboximetilcelulose pré-inchada insolúvel em água ao copo. Manter o copo num agitador suspenso equipado com uma pá de plástico e agitar toda a mistura a 1 000 rpm durante cinco minutos.
Adicione 50 gramas de zinco em pó e continue mexendo por mais cinco minutos. Após cinco minutos, parar o agitador e retirar o copo. Coloque o copo em um dessecador por cinco minutos em temperatura ambiente para expulsar a mistura e seu conteúdo sob vácuo.
Divida a pasta de zinco em moldes de polipropileno de aproximadamente 10 milímetros de diâmetro e cinco milímetros de altura para secar a pasta ao ar durante a noite. Após a secagem, remova cuidadosamente a pasta de zinco dos moldes e coloque-os em um invólucro de malha que repousa sobre um suporte de alumina entalhado. Coloque o conjunto em um forno tubular com portas para fluir o gás para dentro e para fora do tubo.
Canalize o gás nitrogênio no forno por 30 minutos a uma taxa de 5,7 centímetros por minuto para purgar o ar do forno. Após 30 minutos de purga, estrangule o gás nitrogênio a uma taxa constante de 2,8 centímetros por minuto. Programe a temperatura do forno para aumentar linearmente de 20 a 369 graus Celsius ao longo de 68 minutos, mantenha a 369 graus Celsius por cinco horas, aumente linearmente de 369 a 584 graus Celsius ao longo de 105 minutos e depois desligue.
Inicie o programa do forno à medida que o nitrogênio continua a fluir. Pare o fluxo de gás nitrogênio manualmente após as cinco horas de retenção de temperatura e canalize o ar respirável a 2,8 centímetros por minuto. Deixe o forno esfriar até a temperatura ambiente assim que o programa de aquecimento parar, mantendo o fluxo de ar respirável.
Por fim, remova as esponjas de zinco resfriadas e serre ou lixe-as nas dimensões desejadas. Adicione 10,5 mililitros de água deionizada a um copo de vidro de 100 mililitros. Em seguida, adicione 0,12 gramas de goma de celulose de alta viscosidade solúvel em água e mexa usando uma ferramenta de agitação revestida de plástico.
Vortex e mexa esta mistura manualmente por cinco minutos ou até que a goma de celulose se dissolva. Adicione 2,4 gramas de amido de milho enquanto agita o copo por dois minutos e, em seguida, adicione 120 gramas de pó de zinco preparado enquanto vórtice por mais dois minutos. Uma vez feito isso, pressione a pasta de zinco resultante nas cavidades do molde desejadas e deixe-as secar durante a noite a 70 graus Celsius ao ar livre em uma fornalha.
Após a secagem, remova cuidadosamente a pasta de zinco dos moldes e coloque-os em um invólucro de malha que repousa sobre um suporte de alumina entalhado. Coloque o conjunto em um forno tubular com portas para fluir o gás para dentro e para fora do tubo. Canalize o gás nitrogênio no forno por 30 minutos a uma taxa de 5,7 centímetros por minuto para purgar o ar do forno.
Após 30 minutos de purga, estrangule o gás nitrogênio a uma taxa constante de 2,8 centímetros por minuto. Programe a temperatura do forno para aumentar linearmente de 20 a 369 graus Celsius ao longo de 68 minutos, mantenha a 369 graus Celsius por cinco horas, aumente linearmente de 369 a 584 graus Celsius ao longo de 105 minutos e depois desligue. Inicie o programa do forno à medida que o nitrogênio continua a fluir.
Após cinco horas de retenção de temperatura, interrompa o fluxo de gás nitrogênio manualmente e canalize o ar respirável a 2,8 centímetros por minuto. Deixe o forno esfriar até a temperatura ambiente assim que o programa de aquecimento parar, mantendo o fluxo de ar respirável. Por fim, remova as esponjas de zinco resfriadas e serre ou lixe-as nas dimensões desejadas.
Este protocolo foi usado para produzir esponjas de zinco à base de emulsão com densidades de 2,8 gramas por centímetro cúbico e esponjas de base aquosa com densidades de 3,3 gramas por centímetro cúbico. As esponjas de zinco devem ser rígidas e quebradiças. Suas seções transversais devem ser semelhantes às mostradas aqui.
Todas as propriedades das esponjas de zinco resultantes devem estar dentro dos intervalos fornecidos no manuscrito do texto. O eletrodo de esponja de zinco mostra uma estabilidade cíclica a uma capacidade gravimétrica de 328 miliamperes-hora por grama de zinco, que mapeia para uma profundidade de descarga de 43%. Após extenso ciclo eletroquímico dos eletrodos de zinco construídos para estimar sua eficiência, nenhum dendrito foi observado em micrografias eletrônicas de varredura dos eletrodos de esponja de zinco.
A superfície da esponja de zinco sofre reestruturação durante o ciclismo. Quanto mais profundo o nível de descarga e maior o ciclo de vida, maior a quantidade de reestruturação. Ao tentar este protocolo, lembre-se de mexer a mistura com uma ferramenta revestida de plástico.
Processos de fabricação semelhantes podem ser usados para criar outros tipos de espumas metálicas baseadas em diferentes metais para inúmeras aplicações.
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Visão Geral
Este protocolo descreve um método de baixo custo para a criação de eletrodos recarregáveis de zinco-esponja que suprimem eficazmente os dendritos em baterias alcalinas. A técnica permite o ajuste fácil da estrutura do eletrodo de zinco mediante a variação de diversos parâmetros.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Eletricidade
- Tecnologia de Baterias
- Ciência dos Materiais
Antecedentes
- A formação de dendritos em baterias de zinco pode levar a problemas de desempenho.
- Métodos convencionais de fabricação podem não alcançar as propriedades eletrodas desejadas.
- As baterias alcalinas são amplamente utilizadas em diversas aplicações.
- A melhoria do design do eletrodo de zinco pode aumentar a eficiência da bateria.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para criar eletrodos de zinco que minimizem o crescimento de dendritos.
- Investigar os efeitos do tamanho das partículas de zinco e do tratamento sobre o desempenho do eletrodo.
- Fornecer uma solução economicamente viável para a fabricação de baterias.
Métodos Utilizados
- Misturar água desionizada e decano em um béquer de vidro.
- Dissolver SDS na solução para criar uma mistura estável.
- Adicionar sal de sódio de CMC para melhorar a estrutura do eletrodo.
- Ajustar parâmetros como tamanho das partículas e tratamento térmico.
Resultados Principais
- Os eletrodos de esponja de zinco apresentaram formação reduzida de dendritos durante os ciclos.
- A estrutura do eletrodo pôde ser ajustada efetivamente por meio do método.
- A densidade relativa e o tamanho das células foram otimizados em comparação com os métodos padrão.
- A abordagem é escalável para aplicações práticas de baterias.
Conclusões
- O protocolo desenvolvido oferece uma solução viável para melhorar o desempenho de baterias de zinco.
- O trabalho futuro pode focar na otimização adicional das propriedades dos eletrodos.
- Este método pode contribuir para avanços na tecnologia de baterias recarregáveis.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A tecnologia de eletrodo tipo esponja de zinco aborda a formação de dendritos, um modo crítico de falha em baterias alcalinas recarregáveis, permitindo ciclagem estável em profundidades de descarga relevantes do ponto de vista tecnológico. Ao suprimir dendritos que perfuram o separador, este método melhora a durabilidade e a segurança do eletrodo, viabilizando aplicações em armazenamento em rede, eletrônicos pessoais, veículos elétricos e aviação elétrica. A arquitetura ajustável permite que equipes de pesquisa e desenvolvimento otimizem as propriedades mecânicas e eletroquímicas para químicas específicas de baterias e metas de desempenho.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar os mecanismos de estabilidade do eletrodo de zinco sob estresse eletroquímico.
- Valor Operacional: Oferece uma plataforma reprodutível para avaliar estratégias de supressão de dendritos.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Gera eletrodos padronizados de esponja de zinco com arquitetura de poros ajustável para testes eletroquímicos consistentes.
- Valor Operacional: Permite a triagem em alta produtividade de aditivos para eletrólitos e protocolos de ciclagem.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Conecta a inovação de materiais ao desempenho funcional de baterias em perfis de descarga relevantes.
- Valor Operacional: Permite o avanço com avaliação de riscos de conceitos de baterias à base de zinco por meio da fabricação validada de eletrodos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este método insere-se no continuum de desenvolvimento de baterias, desde a descoberta de materiais para eletrodos até a validação de protótipos, apoiando o design iterativo de sistemas de armazenamento de energia baseados em zinco.
- Biologia da Descoberta: Não aplicável; concentra-se na eletroquímica dos materiais em vez de sistemas biológicos.
- Triagem: Permite eletrodos de zinco prontos para ensaio com densidade e morfologia controladas para testes de ciclagem reprodutíveis.
- Análises: Gera resultados quantificáveis, como capacidade gravimétrica (328 mAh/g Zn) e profundidade de descarga (43%), para avaliação de desempenho.
- Pesquisa Translacional: Apoia a continuidade da fabricação de eletrodos em escala laboratorial até configurações de baterias relevantes para aplicações práticas.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma escalável e de baixo custo para a produção de eletrodos de zinco em diversos programas de baterias.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista nos modos de falha do eletrodo de zinco ao suprimir o crescimento de dendritos.
- Valor Operacional: Permite a fabricação reprodutível e ajustável de eletrodos com requisitos mínimos de equipamentos.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de prosseguimento ou interrupção ao reduzir os riscos relacionados à estabilidade do eletrodo de zinco no início do desenvolvimento.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de tecnologias de baterias baseadas em zinco para aplicações em redes elétricas e mobilidade.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em síntese de materiais e testes eletroquímicos.
- Requer forno de tubo com controle de fluxo de gás inerte e ar para processamento térmico.
- Exige padronização na preparação da pasta de zinco e no preenchimento do molde para consistência entre lotes.
- Envolve considerações de adaptação ao escalar para diferentes tamanhos de partículas de zinco ou tipos de porógenos.
- Limitado por estruturas de poros desordenadas em baixas frações volumétricas de zinco (<30%), afetando a resistência mecânica.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:45
An Emulsion-based Method to Create Zn-sponge Electrodes
3:18
An Aqueous-based Method to Create Zn-sponge Electrodes
5:20
Results: Assessment of Morphological and Functional Characteristics of the Prepared Zinc-sponge Electrodes
6:27
Conclusion
