Summary
מטרת הפרוטוקולים המדווחים היא ליצור אלקטרודות נטענות של ספוג אבץ המדכאות דנדריטים ושינוי צורה בסוללות אבץ, כגון ניקל-אבץ או אבץ-אוויר.
Abstract
אנו מדווחים על שתי שיטות ליצירת אלקטרודות ספוג אבץ המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה עבור סוללות אבץ נטענות. שתי השיטות מאופיינות ביצירת משחה העשויה מחלקיקי אבץ, פורוגן אורגני וסוכן משפר צמיגות המחומם תחת גז אינרטי ולאחר מכן אוויר. במהלך החימום מתחת לגז אינרטי, חלקיקי האבץ חישול יחד, ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר, אבץ נתיכים ושיורי אורגניים נשרפים, מניבים קצף מתכת פתוח או ספוג. אנו מכוונים את התכונות המכניות והאלקטוכימיות של ספוגי האבץ על ידי יחס מסה משתנה בין אבץ לפורוגן, זמן חימום תחת גז אינרטי ואוויר, וגודל וצורה של חלקיקי האבץ והפורוגן. יתרון של השיטות המדווחות הוא היכולת שלהם לכוונן היטב את ארכיטקטורת אבץ-ספוג. הגודל והצורה שנבחרו של חלקיקי האבץ והפורוגן משפיעים על המורפולוגיה של מבנה הנקבוביות. מגבלה היא כי ספוגים וכתוצאה מכך יש מבני נקבוביות הפרעה שגורמים כוח מכני נמוך בנפח נמוך שברים של אבץ (<30%). היישומים עבור אלקטרודות ספוג אבץ אלה כוללים סוללות לאחסון רשת, אלקטרוניקה אישית, כלי רכב חשמליים ותעופה חשמלית. משתמשים יכולים לצפות אלקטרודות ספוג אבץ מחזור עד 40% עומק של פריקה בשיעורים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית ויכולות אריאליות ללא היווצרות של דנדריטים חודרי מפריד.
Introduction
מטרת שיטות הייצור המדווחות היא ליצור אלקטרודות ספוג אבץ (Zn) המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה. מבחינה היסטורית, בעיות אלה הגבילו את חיי המחזור של סוללות Zn. אלקטרודות ספוג אבץ פתרו בעיות אלה, המאפשר סוללות Zn עם חיי מחזור ארוכים יותר1,2,3,4,5,6. מבנה הספוג מדכא היווצרות dendrite ושינוי צורה כי (1) מסגרת Zn מותך חשמל חוטים את כל הנפח של הספוג; (2) הנקבוביות מחזיקות אבץ ליד פני השטח של ספוג Zn; ו-(3) הספוג יש שטח פנים גבוה שמקטין את צפיפות הזרם המקומית מתחת לערכים שזוהו לנבוט דנדריטים באלקטרוליטים אלקליין7. עם זאת, אם שטח פני הספוג גבוה מדי, קורוזיה משמעותית מתרחשת5. אם נקבוביות הספוג גדולות מדי, הספוג יהיהקיבולתנפחית נמוכה 5 . כמו כן, אם נקבוביות הספוג קטנות מדי, האלקטרודה Zn לא יהיה אלקטרוליט מספיק כדי לגשת Zn במהלך הפריקה, וכתוצאה מכך כוח נמוךוקיבולת 5,6.
הרציונל מאחורי שיטות הייצור המדווחות הוא ליצור ספוגי Zn עם נקבוביות ספוג מתאימות וקוטרי נקבוביות. באופן ניסיוני, אנו מוצאים כי ספוגי Zn עם נקבוביות מ 50 עד 70% וקוטרי נקבוביות ליד מחזור 10 מיקרומטר היטב בסוללות תא מלא ולהציג שיעורי קורוזיה נמוכים5. נציין כי שיטות קיימות לייצור קצף מתכת מסחרית לא מצליחות להשיג מורפולוגיות דומות בקשקשי אורך אלה8, ולכן יש צורך בשיטות הייצור המדווחות.
היתרונות של השיטות המדווחות כאן על פני חלופות מאופיינים בשליטה עדינה על תכונות ספוג ועל ידי היכולת לייצר ספוגי Zn גדולים וצפופים עם ערכים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית קיבולת אריאל5,6,9,10. שיטות חלופיות ליצירת קצף Zn עשוי להיות מסוגל ליצור נקבוביות 10 מיקרומטר דומה עם נקבוביות ספוג ליד 50%. חלופות כאלה עשויות, עם זאת, לדרוש פחות אנרגיה כדי לפברק כי הם נמנעים צעדי עיבוד בטמפרטורה גבוהה. תהליכים חלופיים כוללים את האסטרטגיות הבאות: חלקיקי Zn sintering קר11, הפקדת Zn על מבנים מארחים תלת מימדיים12,13,14,15,16,17, חיתוך רדיד Zn לקצף דו מימדי18, ויצירת קצף Zn באמצעות פירוק ספינודל19 או פירוק חלפול20.
ההקשר של השיטות המדווחות בגוף הרחב יותר של הספרות שפורסמה מבוסס בעיקר על ידי עבודה של Drillet ואח'21. הם התאימו שיטות לייצור קרמיקה נקבובית כדי ליצור את אחד מקצפי Zn התלת ממדיים המוקדמים ביותר שדווחו, אם כי שבירים, לסוללות. מחברים אלה, לעומת זאת, לא הצליחו להפגין טעינה, ככל הנראה בגלל הקישוריות הירודה בין חלקיקי Zn. לפני אלקטרודות ספוג Zn נטענות, החלופה הטובה ביותר לאלקטרודה רדיד Zn הייתה אלקטרודה אבקת Zn, שבו אבקת Zn מעורבב עם אלקטרוליט ג'ל. אלקטרודות אבקת אבץ משמשות מסחרית בסוללות אלקליין ראשוניות (Zn-MnO2) אך יש להן טעינה ירודה מכיוון שחלקיקי Zn הופכים לפסיבים על ידי תחמוצת Zn (ZnO), אשר יכול להגדיל את הצפיפות הנוכחית המקומית שמדרבנת צמיחה דנדריט3,22. נציין כי ישנן אסטרטגיות אחרות לדיכוי דנדריט שאינן כרוכות בארכיטקטורות קצף אוספוג 23,24.
שיטות הייצור המדווחות של ספוג Zn דורשות תנור צינור, מקורות של אוויר וגז חנקן (N2),ומכסה אדים. כל השלבים יכולים להתבצע בדלפק מעבדה ללא בקרה סביבתית, אך פליטה מכבשן הצינור במהלך טיפול בחום צריכה להיות מוזרמת למכסה אדים. אלקטרודות וכתוצאה מכך מתאימות למעוניינים ביצירת אלקטרודות Zn נטענות המסוגלות לקיבולת אראלית גבוהה (> 10 mAh ס"מגיאו–2)6.
שיטת הייצור המדווחת הראשונה היא מסלול מבוסס אמולסיה ליצירת אלקטרודות ספוג Zn. השני, הוא מסלול מימי מבוסס. יתרון של נתיב אמולסיה הוא היכולת שלה ליצור הדבק Zn, כי כאשר מיובש, קל להוריד מחלל עובש. חיסרון הוא הסתמכותו על חומרים יקרים. עבור המסלול מימי, preforms ספוג יכול להיות מאתגר כדי demold, אבל תהליך זה משתמש בחומרים זולים בשפע.
שתי השיטות כוללות ערבוב חלקיקי Zn עם חומר פורוגן ושיפור צמיגות. התערובת המתקבלת מחוממת תחת N2 ולאחר מכן לנשום אוויר (לא אוויר סינתטי). במהלך חימום תחת N2, חלקיקי Zn חין ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר נשימה, חלקיקי Zn מחופים להתמזג והפורוגן נשרף. תהליכים אלה מניבים קצף מתכת או ספוגים. המאפיינים המכניים והאלקטרוכימיים של ספוגי Zn ניתן לכוונן על ידי יחס מסת Zn-to-porogen משתנה, זמן חימום תחת N2 ואוויר, ואת הגודל והצורה של חלקיקי Zn ופורוגן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. שיטה מבוססת אמולסיה ליצירת אלקטרודות ספוג Zn
- הוסף 2.054 מ"ל של מים דה-יוניים לכוס זכוכית 100 מ"ל.
- הוסף 4.565 מ"ל של דקאן לתחבולה.
- יש לערבב פנימה 0.1000 ± 0.0003 גרם נתרן דודסיל סולפט (SDS) עד להמסה.
- מערבבים פנימה 0.0050 ± 0.0003 גרם של קרבוקסימתיל צלולוז (CMC) מסיס במים.
הערה: השתמש בכלי ערבוב מצופים פלסטיק או פלסטיק. ערבוב עם כלים עם משטח מתכתי יכול להשפיע לרעה על ספוגי Zn וכתוצאה מכך. - יש לערבב פנימה 0.844 ± 0.002 גרם של שרף קרבוקסימתיל צלולוז פרזוולן מסיס במים.
הערה: סוג זה של שרף מסיס במים הוא יקר (USD $420 ק"ג–1)6. - מערבבים את התערובת ב 1,000 סל"ד במשך 5 דקות באמצעות מערבל ההנעה תקורה מצויד במשוט פלסטיק.
- יוצקים 50 גרם אבקת Zn (גודל חלקיקים ממוצע של 50 מיקרומטר, המכיל 307 ppm של ביסמוט ו 307 ppm של indium לדיכוי קורוזיה) לתוך הכוס בעוד מערבל תקורה ממשיך להסתובב ב 1,000 סל"ד.
- ממשיכים לערבב את משחת Zn במשך 5 דקות נוספות באותו קצב, 1,000 סל"ד.
- עוצרים את המערבב, מסירים את הכיס, ומוציאים את התערובת על ידי הנחת הכיס ותכולתה תחת ואקום במשך 5 דקות במתן בטמפרטורת החדר.
- מחלקים את משחת Zn לתבניות פוליפרופילן (קוטר של כ-10 מ"מ וגובה של כ-5 מ"מ) ומניחים להם להתייבש באוויר הפתוח למשך הלילה. צורת התבנית מכתיבה את צורת הדבק היבש וספוגי Zn וכתוצאה מכך.
הערה: גודל הצורה והתבנית של העובש עשויים להשתנות. ניסויים קודמים5 בהצלחה להשתמש תבניות גליליות עם קטרים ליד 10 מ"מ. מלאו את הדבק Zn עד לגובה של 5 מ"מ או פחות. ככל שהגובה קצר יותר, זמן הייבוש הנדרש קצר יותר. ראה טבלת חומרים לקבלת תבניות זמינות מסחרית. - הסר בזהירות את הדבק Zn מיובש preforms מן התבניות ומניחים אותם לתוך מעטפת רשת הנשענת על מחזיק אלומינה חריץ5,6.
הערה: פברק מעטפת רשת, למשל, על ידי כיפוף גיליון פליז מחורר לתוך גליל עם קוטר כי הוא קצת יותר גדול מאשר הקוטר הרצוי של אלקטרודה Zn-ספוג. לרסס את יריעת המתכת המחוררת עם חומר סיכה בורון-ניטריד לאחר כיפוף לתוך צורה הרצויה. - מניחים את ההרכבה לתוך תנור צינור (בקוטר 67 מ"מ) עם יציאות להזרמת גז פנימה והחוצה של הצינור.
הערה: השתמש ביציאה אחת (נמל הכניסה) כדי להזרים גז לכבשן. השתמש השני (יציאת היציאה) כדי לפרוק גז מתוך תנור הצינור לתוך מכסה המנוע אדים. - מזלפים גז N2 לתוך הכבשן במשך 30 דקות בקצב של 5.7 ס"מ ∙דקות–1 כדי לטהר את תנור האוויר.
הערה: ניתן להשיג שלב 1.13 על ידי חיבור מיכל של גז N2 עם מד זרימה הנשלט דיגיטלית לצינור המחובר לאחת מנמלי הכניסה. מדי זרימת גז יכולים להיות נשלטים באופן ידני או על ידי מחשב. - לחנוק את גז N2 לקצב קבוע של 2.8 ס"מ ∙min–1 לאחר הטיהור 30 דקות.
- לתכנת את התנור כדי להגדיל את הטמפרטורה באופן ליניארי מ 20 ל 369 °C (50 °F) במהלך 68 דקות, להחזיק ב 369 °C (5 שעות), לעלות ליניארי מ 369 °C (584 °F) במהלך 105 דקות, ולאחר מכן לכבות.
- התחל את תוכנית הכבשן בזמן שהגז N2 ממשיך לזרום.
- באופן ידני לעצור את זרימת גז N2לאחר אחיזת הטמפרטורה 5 שעות צינור אוויר נשימה ב 2.8 ס"מ ∙min–1.
הערה: שלב 1.17 ניתן להשיג על ידי חיבור מיכל של אוויר נשימה (לא אוויר סינתטי) עם מד זרימה נשלט דיגיטלית לצינור המחובר ליציאת כניסה נוספת. - ברגע שתוכנית החימום מפסיקה, תן לכבשן להתקרר לטמפרטורת החדר ללא קירור פעיל, אך שמור על אוויר הנשימה זורם.
- הסר את ספוגי Zn מקוררים וראה אותם ו / או חול אותם לממדים הרצויים.
הערה: ניתן להשתמש במגוון כלי ניסור כגון מסורים סיבוביים ידניים או מסורי פס אנכיים. להבי יהלום שוחקים או יהלום מתאימים.
2. שיטה מבוססת מימית ליצירת אלקטרודות ספוג Zn
- יש להוסיף 10.5 מ"ל של מים מתובלים לכוס זכוכית 100 מ"ל.
- יש לערבב פנימה 0.120 ± 0.001 גרם של מסטיק תאית מסיס במים, הידוע גם בשם קרבוקימתיל תאיתיל צלולוז (CMC).
הערה: השתמש בכלי ערבוב מצופים פלסטיק או פלסטיק. ערבוב עם כלים עם משטח מתכתי יכול להשפיע לרעה על ספוגי Zn וכתוצאה מכך. - מערבולת ומערבבים את התערובת ביד במשך 5 דקות או עד CMC מומס.
- מערבבים פנימה 2.400 ± 0.001 גרם של עמילן תירס תוך מערבולת במשך 2 דקות נוספות.
- מערבבים פנימה 120.00 ± 0.01 גרם אבקת Zn (גודל חלקיקים ממוצע של 50 מיקרומטר, המכיל 307 ppm של ביסמוט ו 307 ppm של אינדיום לדיכוי קורוזיה) תוך מערבולת במשך 2 דקות נוספות.
- לחץ על הדבק Zn וכתוצאה מכך לתוך חללי עובש הרצוי.
הערה: גודל הצורה והתבנית של העובש עשויים להשתנות. ניסויים קודמים6 בהצלחה להשתמש תבניות גליליות עם קוטרים ליד 10 מ"מ. מלא את הדבק Zn עד לגובה של 50 מ"מ או פחות. הדבק Zn מימית הוא מייבש מאשר משחת Zn אמולסיה, כך הגרסה מימית ניתן להשתמש כדי להפוך ספוגים גדולים יותר הדורשים פחות זמן ייבוש. ככל שהגובה קצר יותר, זמן הייבוש הנדרש קצר יותר. התבנית צריכה להיות מסוגלת לפצל לשניים כמו הדבק Zn מימית מתכווץ מינימלי לאחר הייבוש, בניגוד משחת Zn אמולסיה. חמאה ללא מחיה יכולה לשמש לשמן את התבניות לפני לחיצה על הדבק Zn מימית כדי לסייע בהדגמה. איור 1A מציג את התבניות במכונה מותאמת אישית ארוזות במשחה Zn בהתאם לפרוטוקול המבוסס על מימית. איור 1B מציג את מעטפת הרשת בעבודת יד, מחזיק אלומינה חריץ וספוג Zn שנוצר בשיטה מבוססת מימית. - השאירו את התבניות מלאות בדבק Zn להתייבש למשך הלילה בשעה 70 מעלות צלזיוס באוויר הפתוח בכבשן.
- בצע את אותם שלבי טיפול וטיפול בחום (1.11-1.19) המתוארים עבור השיטה המבוססת על אמולסיה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כתוצאה מכך, ספוגי Zn מבוססי אמולסיה, שטופלו במלואם בחום, הם בעלי צפיפות של 2.8 גרם לס"מ-3, בעוד שספוגים מימיים מתקרבים ל-3.3 גרם לס"מ–3. במהלך חימום תחת אוויר, שכבה של ZnO צורות על משטחי Zn, אשר צריך להיות עובי של 0.5-1.0 מיקרומטר (נצפה באמצעות סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים)5. מוצק בספוגים וכתוצאה מכך צריך להיות 72% Zn (גרסת אמולסיה) או 78% Zn (גרסה מימית) עם השאר להיות ZnO (נמדד על ידי עקיפה רנטגן)6. שני הספוגים צריכים להיות נקבוביות ליד 50%, הפצות קוטר נקבוביות מרוכז על 10 מיקרומטר, ושטחי פנים ספציפיים של 4.0 מ'2∙g–1 (נמדד באמצעות פורוסימטריה של חדירה כספית)6. חוזק המתיחה של שני הספוגים צריך להיות 1.1-1.2 MPa (נמדד עם דחיסה דימטרלית)5,6. אנו מציינים כי הספוגים צריכים להיות נוקשים ושברירים. חתך רוחב של ספוגי Zn אמור להיראות דומה לאלה המוצגים באיור 2A,B. אם כל המאפיינים של ספוגים מפוברקים נופלים בתוך הטווחים שסופקו, התוצאה היא חיובית; אם לא, התוצאה שלילית.
עם המאפיינים המוצהרים, ספוגי Zn מחזור היטב בסוללות שנבנו כראוי. הביצועים שלהם תלויים גם באלקטרודה הנגדית, אלקטרוליט, מפריד, ובניית תאים; בניית תאים מלאים אמינים היא מעבר להיקף הנייר הזה. כדי לבדוק את התוקף האלקטרוכימי של ספוגי Zn, אנו ממליצים לקצור אלקטרודות דלפק מסחריות מסוללות ניקל-מתכת הידריד5,6. לעצב ספוג Zn יש קוטר 10 מ"מ ועובי 0.5 מ"מ. מחזור ספוג זה ב 20 mA∙ס"מgeo–2 (אזור גיאומטרי) עבור פריקה ו 10 mA∙ס"מgeo–2 עבור תשלום בתא ניקל-אבץ כמתואר בספרות5. בהנחה של בנייה מתאימה, האלקטרודה Zn-ספוג צריך להראות יציבות רכיבה על אופניים בקיבולת כבידתית של 328 mA∙h∙gספוג-1 (לגרם של אלקטרודה ספוג ZnO@Zn) כפי שמוצג באיור 2C, אשר ממפה לעומק של 43% של פריקה (מנה של יכולת פריקה כבידתית ביחס לכל אטום של Zn באלקטרודה חלקי הכבידה התיאורטית של Zn). לאחר רכיבה נרחבת על אופניים, לא נצפים דנדריטים על ידי סריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים(איור 3). עקיפה רנטגן ניתן להשתמש כדי לעקוב אחר מצב המטען של אלקטרודה Zn-ספוג על ידי ניטור Zn ו ZnO השתקפויות1. אנו מציינים את פני השטח של ספוג Zn עובר ארגון מחדש במהלך רכיבה על אופניים. יותר עמוק את רמת הפריקה ואת חיי המחזור גדול יותר, את כמות ארגון מחדש5. גורמים אלה תורמים להבדל במורפולוגיה של פני השטח המוצגת באיור 3A,B. אם קיבולת נטענת זו מושגת, התוצאה היא חיובית; אם לא, התוצאה שלילית ויכולה להיגרם על ידי ספוג Zn, בניית תאים לקויה, או כישלון של רכיבי תא אחרים.
איור 1: ספוגי אבץ לפני ואחרי טיפול בחום בשיטה מבוססת מימית. (A)תמונה של תבניות במכונה מותאמת אישית העשויות מדלין או פוליאוקסימתילן (POM) ארוזות במשחה Zn לפני החימום. (B)תמונה של מעטפת רשת בעבודת יד, מחזיק אלומינה חריץ, וכתוצאה מכך ספוג Zn לאחר טיפול בחום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מורפולוגיה של ספוג אבץ וביצועים אלקטרוכימיים. סריקת מיקרוגרפים אלקטרונים של ספוג Zn מבוסס אמולסיה(A)מבוסס אמולסיה ו -( B)ספוג Zn מבוסס מימית. (C)מתח לעומת זמן של ספוג מבוסס אמולסיה האופניים בתא ניקל-אבץ משוחרר ב 20 mA∙ס"מgeo–2 טעון ב 10 mA∙ס"מgeo–2 עם קיבולת כבידתית של 328 mA∙h∙gספוג–1. נתונים מותאמים מהופקינס ואח '5,6. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: אלקטרודות ספוג אבץ מדכאות היווצרות דנדריט. ספוג Zn מבוסס אמולסיה (A) לפני ו -( B) לאחר רכיבה על אופניים אלקטרוכימיים. נתונים שהותאמו מהופקינס ואח'5. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
שינויים ופתרון בעיות הקשורים לפרוטוקולים אלה כוללים מילוי הדבק Zn מעורב טרי לתוך חלל עובש. יש להזהירות כדי למנוע כיסי אוויר. חללים לא רצויים ניתן להקטין על ידי הקשה על התבנית לאחר מילוי או בעת מילוי. מכיוון שממרח Zn מימי יבש, ניתן להפעיל לחץ ישירות על משחת Zn כדי לדחוף החוצה את כיסי האוויר בעת מילוי חלל התבנית.
מגבלה של השיטות היא כי מבנה נקבובית Zn-ספוג הוא הפרעה, אבל Zn וגדלי חלקיקי פורוגן ניתן להשתמש כדי לשנות מורפולוגיה נקבוביות. ספוג Zn מסודר יותר, בעל פוטנציאל חזק וקל יותר, עשוי להיות מפוברק באמצעות ייצור תוספים. המאפיינים המכניים והאלקטרוכימיים של ספוגי Zn וכתוצאה מכך, עם זאת, ניתן לכוונן על ידי יחס מסת Zn-to-porogen משתנה ואת הגודל והצורה של חלקיקי Zn ופורוגן5,6. מגבלה פוטנציאלית נוספת היא כי Zn-paste מיובש יכול להיות שביר, ולכן העברתו לתוך מעטפת רשת עשוי להיות מאתגר ולהגביל את גודל ספוג Zn.
המשמעות של שיטות אלה ביחס לשיטות הקיימות היא כי ספוגי Zn וכתוצאה מכך להשיג חיי מחזור ארוכים עם קיבוליות נפחיות ואריאלגבוהות 5,6. ספוגי Zn וכתוצאה מכך הם גם חזק מכנית5,6.
יישומים עתידיים של התהליכים יכולים, באופן עקרוני, להיות מותאמים ליצירת קצף מתכת אחר עבור סוללות או יישומים אחרים. לדוגמה, קצף ברזל, מגנזיום או אלומיניום עשוי להיות שימושי כמו אנודות עבור סוללות מתכת אוויר25,26,27. אלקטרודות Zn-ספוג, בפרט, ניתן להשתמש כדי ליצור סוללות עבור מגוון רחב של יישומים הכוללים לבישים, אחסון רשת, אלקטרוניקה אישית, כלי רכב חשמליים, ותעופה חשמלית28.
צעד קריטי, שעשוי לדרוש גם שינוי או פתרון בעיות, הוא תהליך החימום. טמפרטורת הכבשן יכולה להשתנות. זמן החימום מתחת ל- N2, ליד אך מתחת לנקודת ההיתוך של Zn, חישול חלקיקי Zn יחד. זמן החימום תחת אוויר שורף את הפורוגן השיורי, ממזג את Zn ויוצר שכבת ZnO. אם חלקיקי Zn נראה היתוך לא תקין, להגדיל את זמן החימום תחת N2. אם שכבת ZnO עבה מדי, להקטין את זמן החימום מתחת לאוויר על ידי 10 דקות או יותר עד העובי הרצוי של תחמוצת תרמית מושגת.
אנו מציינים כי שכבה עבה של ZnO משפר את המאפיינים המכניים של ספוג Zn אבל גם מקטין את הקיבולת שמיש מיד של אלקטרודה Zn. האלקטרודה Zn ניתן לטעון על ידי אלקטרוכימי המרת ZnO ל Zn מתכתי. עם זאת, רכיבה על אופניים יציבה בעומק של 40% של פריקה ניתן להשיג ללא כל precharge5. אם שכבת ZnO דקה מדי, ספוג Zn יכול להתפורר במהלך הטיפול5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
J.F.P. , D.R.R., ו J.W.L. מחזיקים בפטנטים הקשורים לאלקטרודות אבץ: פטנטים בארה"ב מס ' 9802254, 10008711, 10720635 10763500, פטנט האיחוד האירופי ללא 2926395, ופטנט סין מס '104813521.
Acknowledgments
מחקר זה מומן על ידי משרד המחקר הימי של ארצות הברית.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Corn starch | Argo | Not applicable | This acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Decane | MilliporeSigma | D901 | |
| Medium viscosity water-soluble carboxymethyl cellulose (CMC) sodium salt | MilliporeSigma | C4888-500G | This CMC acts primarily as a viscosity-enhancing agent. |
| Overhead stirrer | Caframo Lab Solutions | BDC3030 | |
| Small cylindrical models for Zn sponges | VWR | 66014-358 | The caps of the vials can be used as molds. |
| Sodium dodecyl sulfate | MilliporeSigma | 436143 | |
| Water-insoluble IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin | BIOpHORETICS | B45019.01 | This CMC acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Zn powder | EverZinc | Custom order |
References
- Parker, J. F., et al. Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).
- Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W. Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance-dendrite-free cycling. Energy & Environmental Science. 7, 1117-1124 (2014).
- Parker, J. F., et al. Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion. Science. 356 (6336), 415-418 (2017).
- Ko, J. S., et al. Robust 3D Zn sponges enable high-power, energy-dense alkaline batteries. ACS Applied Energy Materials. 2 (1), 212-216 (2018).
- Hopkins, B. J., et al. Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells. Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).
- Hopkins, B. J., et al. Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries. Sustainable Energy & Fuels. 4, 3363-3369 (2020).
- Yufit, V., et al. Operando Visualization and Multi-scale Tomography Studies of Dendrite Formation and Dissolution in Zinc Batteries. Joule. 3 (2), 485-502 (2019).
- Ashby, M. F., et al. Metal Foams: A Design Guide. , Butterworth-Heinemann. Oxford. (2000).
- Parker, J. F., Ko, J. S., Rolison, D. R., Long, J. W. Translating Materials-Level Performance into Device-Relevant Metrics for Zinc-Based Batteries. Joule. 2 (12), 2519-2527 (2018).
- Hopkins, B. J., Chervin, C. N., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. R. An areal-energy standard to validate air-breathing electrodes for rechargeable zinc-air batteries. Advanced Energy Materials. 10 (30), 2001287 (2020).
- Jayasayee, K., et al. Cold Sintering as a Cost-Effective Process to Manufacture Porous Zinc Electrodes for Rechargeable Zinc-Air Batteries. Processes. 8 (5), 592 (2020).
- Chamoun, M., et al. NPG Asia Materials. 7, 178 (2015).
- Kang, Z., et al. 3D Porous Copper Skeleton Supported Zinc Anode toward High Capacity and Long Cycle Life Zinc Ion Batteries. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (3), 3364-3371 (2019).
- Yu, J., et al. Ag-Modified Cu Foams as Three-Dimensional Andoes for Rechargeable Zinc-Air Batteries. ACS Applied Nano Materials. 2 (5), 2679-2688 (2019).
- Stumpp, M., et al. Controlled Electrodeposition of Zinc Oxide on Conductive Meshes and Foams Enabling Its Use as Secondary Anode. Journal of The Electrochemical Society. 165 (10), 461-466 (2018).
- Stock, D., et al. Design Strategy for Zinc Anodes with Enhanced Utilization and Retention: Electrodeposited Zinc Oxide on Carbon Mesh Protected by Ionomeric Layers. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5579-5588 (2018).
- Li, C., et al. Spatially homogeneous copper foam as surface dendrite-free host for zinc metal anode. Chemical Engineering Journal. 379, 122248 (2020).
- Zhou, Z., et al. Graphene oxide-modified zinc anode for rechargeable aqueous batteries. Chemical Engineering Science. 194, 142-147 (2019).
- McDevitt, K. M., Mumm, D. R., Mohraz, A. Improving Cyclability of ZnO Electrodes through Microstructural Design. ACS Applied Energy Materials. 2 (11), 8107-8117 (2019).
- Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries. ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).
- Drillet, J. F., et al. Development of a Novel Zinc/Air Fuel Cell with a Zn Foam Anode, a PVA/KOH Membrane and a MnO2/SiOC-based Air Cathode. ECS Transactions. 28, 13-24 (2010).
- Bozzini, B., et al. Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography. ACS Applied Energy Materials. , (2020).
- Yang, Q., et al. Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries. Advanced Materials. 31, 1903778 (2019).
- Yang, Q., et al. Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes. Advanced Materials. 32, 2001755 (2020).
- Narayanan, S. R., et al. Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron-air batteries for large-scale energy storage. Solid State Ionics. 216, 105-109 (2012).
- Xiong, H., et al. Effects of Heat Treatment on the Discharge Behavior of Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn Alloy as Anode for Magnesium-Air Batteries. Journal of Materials Engineering and Performance. 26, 2901-2911 (2017).
- Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement. Science. 362, 658-661 (2018).
- Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R.
