Chemistry

जिंक-स्पंज बैटरी इलेक्ट्रोड जो डेंड्राइट्स को दबाते हैं

Published: September 29, 2020 doi: 10.3791/61770

Brandon J. Hopkins¹, Megan B. Sassin², Joseph F. Parker², Jeffrey W. Long², Debra R. Rolison²

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

Summary

रिपोर्ट किए गए प्रोटोकॉल का लक्ष्य रिचार्जेबल जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाना है जो डेंड्राइट्स को दबाते हैं और जिंक बैटरी में बदलाव को आकार देते हैं, जैसे निकेल-जिंक या जिंक-एयर ।

Abstract

हम जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए दो तरीकों की रिपोर्ट करते हैं जो रिचार्जेबल जिंक बैटरी के लिए डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबाते हैं। दोनों तरीकों में जिंक कणों, कार्बनिक पोर्गेन और चिपचिपाहट बढ़ाने वाले एजेंट से बना पेस्ट बनाने की विशेषता है जिसे एक निष्क्रिय गैस और फिर हवा के नीचे गर्म किया जाता है। निष्क्रिय गैस के नीचे हीटिंग के दौरान, जिंक के कण एक साथ एनील करते हैं, और पोरोजन विघटित हो जाते हैं; हवा के नीचे, जस्ता फ़्यूज़ और अवशिष्ट कार्बनिक जलता है, एक खुली सेल धातु फोम या स्पंज उपज । हम जिंक स्पंज के यांत्रिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को अलग-अलग जिंक-टू-पोरोजेन द्रव्यमान अनुपात, निष्क्रिय गैस और हवा के तहत समय गर्म करने और जिंक और पोरोजेन कणों के आकार और आकार से ट्यून करते हैं। रिपोर्ट किए गए तरीकों का एक लाभ जिंक-स्पंज वास्तुकला को बारीक ट्यून करने की उनकी क्षमता है। जिंक और पोरोजेन कणों का चयनित आकार और आकार पोर संरचना की आकृति विज्ञान को प्रभावित करता है। एक सीमा यह है कि जिसके परिणामस्वरूप स्पंज में पोर संरचनाएं अव्यवस्थित होती हैं जिसके परिणामस्वरूप जिंक (<30%) के कम मात्रा के अंशों पर कम यांत्रिक शक्ति होती है। इन जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड के लिए आवेदन ग्रिड भंडारण, व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहनों, और इलेक्ट्रिक विमानन के लिए बैटरी शामिल हैं । उपयोगकर्ता जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड को सेपरेटर-भेदी डेनड्राइट्स के गठन के बिना तकनीकी रूप से प्रासंगिक दरों और अरियल क्षमताओं पर निर्वहन की 40% गहराई तक चक्र की उम्मीद कर सकते हैं।

Introduction

रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों का उद्देश्य जिंक (जेडएन) स्पंज इलेक्ट्रोड बनाना है जो डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबाते हैं। ऐतिहासिक रूप से, इन समस्याओं ने जेडएन बैटरी के चक्र जीवन को सीमित कर दिया है। जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड ने इन मुद्दों को हल किया है, जिससे जेडएन बैटरी को लंबे चक्र वाले^{जीवन 1,}^2,^3,^4,^{5, 6}में सक्षम^{बनाया}^गयाहै। स्पंज संरचना डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबा देती है क्योंकि (1) फ्यूज्ड जेडएन फ्रेमवर्क विद्युत रूप से स्पंज की पूरी मात्रा को तारों; (2) छिद्र Zn-स्पंज सतह के पास जस्ता पकड़; और (3) स्पंज एक उच्च सतह क्षेत्र है कि क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स 7 में dendrites अंकुरित करने के लिए पहचान मूल्यों से^नीचेस्थानीय वर्तमान घनत्व कम हो जाती है . हालांकि, यदि स्पंज सतह क्षेत्र बहुत अधिक है, तो पर्याप्त जंग⁵होती है। यदि स्पंज छिद्र बहुत बड़े हैं, तो स्पंज की मात्रा कम होगी^5। इसके अलावा, यदि स्पंज छिद्र बहुत छोटे हैं, तो जेडएन इलेक्ट्रोड में डिस्चार्ज के दौरान जेडएन तक पहुंचने के लिए अपर्याप्त इलेक्ट्रोलाइट होगा, जिसके परिणामस्वरूप कम शक्ति और क्षमता^5,⁶होगी।

रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों के पीछे तर्क उचित स्पंज पोरोसिटी और पोर व्यास के साथ ज़ेन स्पंज बनाना है। प्रायोगिक रूप से, हम पाते हैं कि जेडएन 50 से 70% तक पोरोसिटीज के साथ स्पंज और पूर्ण सेल बैटरी में 10 माइक्रोन चक्र के पास पोर व्यास और कम जंग दर⁵प्रदर्शित करता है। हम ध्यान दें कि वाणिज्यिक धातु फोम के निर्माण के लिए मौजूदा तरीके इन लंबाई तराजू⁸पर समान मॉर्फोलोजी प्राप्त करने में विफल रहते हैं, इसलिए रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों की आवश्यकता होती है।

विकल्पों पर यहां रिपोर्ट किए गए तरीकों के फायदे स्पंज सुविधाओं के ठीक नियंत्रण और तकनीकी रूप से प्रासंगिक areal-क्षमता मूल्यों^5,^6,^9,¹⁰के साथ बड़े, घने जेडएन स्पंज बनाने की क्षमता से विशेषता है। Zn फोम बनाने के लिए वैकल्पिक तरीके 50% के पास स्पंज छिद्रों के साथ तुलनीय 10 माइक्रोन छिद्र बनाने में असमर्थ हो सकते हैं। हालांकि, इस तरह के विकल्पों को बनाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता हो सकती है क्योंकि वे उच्च तापमान प्रसंस्करण चरणों से बचते हैं। वैकल्पिक प्रक्रियाओं में निम्नलिखित रणनीतियां शामिल हैं: ठंडे सिंटरिंग जेडएन कण^11,त्रि-आयामी मेजबान संरचनाओं पर जेडएन जमा करना^12,^13,^14,^15,^16,^17,ज़ेन फॉयल को दो-आयामी फोम 18 में काटना, और स्पि नोडल डिकोपोजिशन¹⁹या प्रतिसंवर्तन विघटन²⁰के माध्यम से Zn फोम बनाना।

प्रकाशित साहित्य के व्यापक निकाय में रिपोर्ट किए गए तरीकों का संदर्भ मुख्य रूप से ड्रिलेट एट अल²¹से काम करके स्थापित किया गया है । उन्होंने शुरुआती रिपोर्ट किए गए त्रि-आयामी में से एक बनाने के लिए असुरक्षित सिरेमिक बनाने के तरीकों को अनुकूलित किया, हालांकि नाजुक, बैटरी के लिए Zn फोम। हालांकि, ये लेखक जेडएन कणों के बीच खराब कनेक्टिविटी के कारण रिचार्जेबिलिटी प्रदर्शित करने में विफल रहे । रिचार्जेबल जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड से पहले, जेडएन फॉइल इलेक्ट्रोड का सबसे अच्छा विकल्प जेडएन-पाउडर इलेक्ट्रोड था, जिसमें जेडएन पाउडर को जेल इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिलाया जाता है। जिंक-पाउडर इलेक्ट्रोड का व्यावसायिक रूप से प्राथमिक क्षारीय बैटरी (जेडएन-एमएनओ₂₎में उपयोग किया जाता है, लेकिन इसमें खराब रिचार्जेबिलिटी होती है क्योंकि जेडएन कण ज़एन ऑक्साइड (जेडएनओ) द्वारा निष्क्रिय हो जाते हैं, जो स्थानीय वर्तमान घनत्व को बढ़ा सकते हैं जो डेंड्राइट विकास^3,²²को बढ़ाता है। हम ध्यान दें कि अन्य डेंड्राइट-दमन रणनीतियां हैं जिनमें फोम या स्पंज आर्किटेक्चर^23,²⁴शामिल नहीं हैं।

रिपोर्ट Zn-स्पंज निर्माण विधियों एक ट्यूब भट्ठी, हवा और नाइट्रोजन गैस (एन₂₎के स्रोतों, और एक धुएं हुड की आवश्यकता होती है । सभी चरणों को पर्यावरण नियंत्रण के बिना एक प्रयोगशाला डेस्क पर किया जा सकता है, लेकिन गर्मी उपचार के दौरान ट्यूब फर्नेस से निकास को धूम हुड तक पहुंचाया जाना चाहिए। परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड उच्च areal क्षमता (> 10 mAh सेमी_जियो^{-2) 6}में सक्षम रिचार्जेबल Znइलेक्ट्रोड बनाने में रुचि रखने वालों के लिए उपयुक्त हैं ।

पहली रिपोर्ट की गई निर्माण विधि जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक पायस-आधारित मार्ग है। दूसरा, एक जलीय आधारित मार्ग है । पायस मार्ग का एक लाभ जेड पेस्ट बनाने की क्षमता है, जब सूख जाता है, तो मोल्ड गुहा से डेमोड करना आसान होता है। एक नुकसान महंगी सामग्री पर अपनी निर्भरता है । जलीय मार्ग के लिए, स्पंज प्रीफॉर्म डेमोल्ड करने के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकते हैं, लेकिन यह प्रक्रिया सस्ती और प्रचुर मात्रा में सामग्रियों का उपयोग करती है।

दोनों तरीकों में एक पोरोजेन और चिपचिपाहट बढ़ाने वाले एजेंट के साथ Zn कणों को मिलाना शामिल है। परिणामस्वरूप मिश्रण एन 2 के तहत गर्म किया_जाता है और फिर हवा में सांस लेने (सिंथेटिक हवा नहीं) । एन₂के तहत हीटिंग के दौरान, ज़ेन कण एनील और पोरोजेन विघटित होते हैं; श्वास हवा के नीचे, एनील्ड जेडएन कण फ्यूज होते हैं और पोर्गेन जलता है। इन प्रक्रियाओं से धातु के फोम या स्पंज निकलते हैं। जेडएन स्पंज के यांत्रिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को अलग-अलग जेडएन-टू-पोरोजन द्रव्यमान अनुपात, एन₂ और हवा के तहत समय गर्म करने और जेडएन और पोर्गेन कणों के आकार और आकार से ट्यून किया जा सकता है।

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Protocol

1. Zn-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक पायस आधारित विधि

100 एमएल ग्लास बीकर में 2.054 मिलियन पानी डालें।
बीकर में डेकेन का 4.565 एमएल जोड़ें।
0.1000 ± सोडियम डॉडेक्सिल सल्फेट (एसडीएस) के 0.1000 ग्राम में हिलाओ जब तक भंग।
0.0050 ± 0.0003 ग्राम पानी में घुलनशील मध्यम चिपचिपाहट कार्बोक्सीमिथाइल सेल्यूलोज (सीएमसी) सोडियम नमक को हाथ से 5 मिनट तक हिलाएं या जब तक सीएमसी पूरी तरह से भंग न हो जाए।
नोट: प्लास्टिक या प्लास्टिक-लेपित सरगर्मी उपकरणों का उपयोग करें। धातु की सतह वाले उपकरणों के साथ सरगर्मी प्रतिकूल रूप से उत्पीनशील जेडएन स्पंज को प्रभावित कर सकती है।
0.844 ± 0.002 ग्राम पानी-अघुलनशील प्रीस्वोलेन कार्बोक्सीमिथाइल सेल्यूलोज राल में हिलाओ।
नोट: इस प्रकार का पानी अघुलनशील राल महंगा है (USD $ 420 किलो^-1)⁶।
प्लास्टिक पैडल से लैस ओवरहेड पैडल रेजर का उपयोग करके 5 मिनट के लिए 1,000 आरपीएम पर इस मिश्रण को हिलाएं।
बीकर में 50 ग्राम Zn पाउडर (50 माइक्रोन का औसत कण आकार, 307 पीपीएम बिमुथ और जंग दमन के लिए 307 पीपीएम इंडिनियम) डालें जबकि ओवरहेड स्टरर 1,000 आरपीएम पर स्पिन करना जारी रखता है।
एक ही दर, 1,000 आरपीएम पर एक अतिरिक्त 5 मिनट के लिए Zn पेस्ट हलचल जारी रखें।
रस्टर बंद करो, बीकर को हटा दें, और कमरे के तापमान पर एक desiccator में 5 मिनट के लिए वैक्यूम के तहत बीकर और उसकी सामग्री रखकर मिश्रण को मात दें।
भाग Zn पेस्ट पॉलीप्रोपाइलीन मोल्ड्स (~ 10 मिमी व्यास में और ~ 5 मिमी ऊंचाई में) में और उन्हें रात भर खुली हवा में सूखने दें। मोल्ड का आकार सूखे पेस्ट और परिणामी ज़ेन स्पंज के रूप को तय करता है।
नोट: मोल्ड आकार और आकार भिन्न हो सकते हैं। पिछले प्रयोग⁵ सफलतापूर्वक 10 मिमी के पास व्यास के साथ बेलनाकार मोल्डों का उपयोग करें। जेडएन पेस्ट को 5 एमएम या उससे कम की ऊंचाई तक भरें। ऊंचाई 10 00, आवश्यक सुखाने का समय कम होगा। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध मोल्डों के लिए सामग्री की तालिका देखें।
सूखे जेडएन पेस्ट को सांचों से सावधानी से हटा दें और उन्हें एक जाल आवरण में रखें जो एक नॉच्ड एल्यूमिना धारक⁵^,⁶पर टिकी हुई है ।
नोट: जाल आवरण, उदाहरण के लिए, एक छिद्रित-पीतल की चादर को एक सिलेंडर में झुकाकर व्यास के साथ जो जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड के वांछित व्यास से थोड़ा बड़ा है। छिद्रित धातु की शीट को वांछित आकार में झुकने के बाद बोरोन-नाइट्राइड लुब्रिकेंट के साथ स्प्रे करें।
ट्यूब के अंदर और बाहर गैस प्रवाह करने के लिए बंदरगाहों के साथ एक ट्यूब भट्ठी (व्यास में 67 मिमी) में विधानसभा रखें।
नोट: भट्ठी में गैस पाइप करने के लिए एक बंदरगाह (प्रवेश द्वार बंदरगाह) का उपयोग करें । एक धुएं हुड में ट्यूब भट्ठी से बाहर गैस वेंट करने के लिए दूसरे (निकास बंदरगाह) का उपयोग करें ।
पाइप एन₂ गैस 30 मिनट के लिए भट्ठी में 5.7 सेमी∙मिनट^-1 की दर से हवा की भट्ठी शुद्ध करने के लिए।
नोट: चरण 1.13 एन₂ गैस के एक टैंक को डिजिटल रूप से नियंत्रित प्रवाह मीटर से जोड़कर प्रवेश द्वार बंदरगाहों में से एक से जुड़े ट्यूब से प्राप्त किया जा सकता है। गैस प्रवाह मीटर मैन्युअल रूप से या एक कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।
_{एन 2} गैस को 30 मिनट शुद्ध करने के बाद 2.8 सेमी∙मिनट^-1 की निरंतर दर पर गला घोंटना।
68 मिनट के दौरान तापमान को 20 से 369 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाने के लिए भट्ठी को प्रोग्राम करें, 5 घंटे के लिए 369 डिग्री सेल्सियस पर पकड़ें, 105 मिनट के दौरान 369 से 584 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ें, और फिर बंद कर दें।
फर्नेस प्रोग्राम शुरू करें जबकि एन₂ गैस का प्रवाह जारी है।
मैन्युअल रूप से₅घंटे तापमान पकड़ और 2.8 सेमी∙मिनट^-1पर हवा में पाइप के बाद एन 2 गैस प्रवाह बंद करो।
नोट: चरण 1.17 एक अतिरिक्त प्रवेश द्वार बंदरगाह से जुड़े ट्यूब के लिए एक डिजिटल नियंत्रित प्रवाह मीटर के साथ श्वास हवा (सिंथेटिक हवा नहीं) के एक टैंक को जोड़कर प्राप्त किया जा सकता है।
एक बार हीटिंग प्रोग्राम बंद हो जाता है, भट्ठी सक्रिय ठंडा बिना कमरे के तापमान को ठंडा करते हैं, लेकिन सांस लेने वाली हवा को बहती रखें।
ठंडा Zn स्पंज निकालें और उन्हें देखा और/
नोट: विभिन्न प्रकार के सॉइंग टूल का उपयोग किया जा सकता है जैसे कि हाथ से आयोजित रोटरी आरी या वर्टिकल बैंड आरी। घर्षण या हीरे के ब्लेड उपयुक्त हैं।

2. Zn-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक जलीय आधारित विधि

100-एमएल ग्लास बीकर में 10.5 एमएल डिएकाइज्ड पानी डालें।
0.120 ± 0.001 ग्राम पानी में घुलनशील उच्च चिपचिपाहट सेल्यूलोज गम, जिसे कार्बोक्सीमिथाइल सेल्यूलोज (सीएमसी) सोडियम नमक के रूप में भी जाना जाता है।
नोट: प्लास्टिक या प्लास्टिक-लेपित सरगर्मी उपकरणों का उपयोग करें। धातु की सतह वाले उपकरणों के साथ सरगर्मी प्रतिकूल रूप से उत्पीनशील जेडएन स्पंज को प्रभावित कर सकती है।
भंवर और 5 मिनट के लिए हाथ से इस मिश्रण हलचल या जब तक सीएमसी भंग कर दिया है ।
2.400 ± 0.001 ग्राम मकई स्टार्च में हिलाएं, जबकि अतिरिक्त 2 मिनट के लिए भंवर।
120.00 ± 0.01 ग्राम Zn पाउडर (50 माइक्रोन का औसत कण आकार, 307 पीपीएम बिस्मुथ और जंग दमन के लिए 307 पीपीएम इंडियम युक्त) में हिलाएं, जबकि अतिरिक्त 2 मिनट के लिए भंवर।
परिणामी जेडएन पेस्ट को वांछित मोल्ड गुहाओं में दबाएं।
नोट: मोल्ड आकार और आकार भिन्न हो सकते हैं। पिछले प्रयोग⁶ सफलतापूर्वक 10 मिमी के पास व्यास के साथ बेलनाकार मोल्डों का उपयोग करें। जेडएन पेस्ट को 50 एमएम या उससे कम की ऊंचाई तक भरें। जलीय Zn पेस्ट पायस Zn पेस्ट की तुलना में ड्रायर है, तो जलीय संस्करण बड़ा स्पंज है कि कम सुखाने के समय की आवश्यकता बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । ऊंचाई 10 00, आवश्यक सुखाने का समय कम होगा। मोल्ड को आधे में विभाजित करने में सक्षम होने की जरूरत है क्योंकि जलीय ज़ेन पेस्ट सूखने के बाद न्यूनतम अनुबंध करता है, पायस ज़ेन पेस्ट के विपरीत। अनसाल्टेड मक्खन का उपयोग डेमोल्डिंग में सहायता करने के लिए जलीय ज़ेन पेस्ट में दबाने से पहले मोल्डों को चिकनाई करने के लिए किया जा सकता है। चित्रा 1A जलीय-आधारित प्रोटोकॉल के बाद Zn पेस्ट के साथ पैक कस्टम मशीनी मोल्डों से पता चलता है । चित्रा 1B हाथ से बने जाल आवरण, नॉच किए गए एल्यूमिना धारक, और जिसके परिणामस्वरूप जेडएन स्पंज को जलीय-आधारित विधि का उपयोग करके बनाया गया है।
जेएन-पेस्ट से भरे सांचों को एक भट्ठी में खुली हवा में 70 डिग्री सेल्सियस पर रात भर सूखने के लिए छोड़ दें।
पायस आधारित विधि के लिए वर्णित समान हैंडलिंग और हीट उपचार चरणों (1.11-1.19) का पालन करें।

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Representative Results

जिसके परिणामस्वरूप, पूरी तरह से गर्मी का इलाज किया जाता है, पायस आधारित Zn स्पंज में 2.8 ग्राम∙ सेमी^-3 का घनत्व होता है जबकि जलीय-आधारित स्पंज 3.3 ग्राम∙ सेमी^-3तक पहुंचते हैं। हवा के नीचे हीटिंग के दौरान, जेडएन सतहों पर जेडएनओ की एक परत बनती है, जिसमें 0.5-1.0 माइक्रोन की मोटाई (स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके देखी जाती है)⁵होनी चाहिए। परिणामस्वरूप स्पंज में ठोस 72% Zn (पायस संस्करण) या 78% Zn (जलीय संस्करण) होना चाहिए शेष के साथ ZnO (एक्स-रे विवर्तन द्वारा मापा)^6. दोनों स्पंज में 50% के पास पोरोसिटी होनी चाहिए, पोर-व्यास वितरण 10 माइक्रोन पर केंद्रित है, और 4.0 मीटर²^∙जी-1 के विशिष्ट सतह क्षेत्र (पारा-घुसपैठ पोर्सिमेट्री के माध्यम से मापा जाता है)^6। दोनों स्पंज की तन्य शक्ति 1.1-1.2 एमपीए (डायमीटर संपीड़न के साथ मापा जाता है)^5,⁶होना चाहिए। हम ध्यान दें कि स्पंज कठोर और भंगुर होना चाहिए। Zn स्पंज के क्रॉस-सेक्शन को चित्र 2ए, बीमें दिखाए गए लोगों के समान दिखना चाहिए। यदि गढ़े हुए स्पंज के सभी गुण प्रदान की गई श्रेणियों के भीतर आते हैं, तो परिणाम सकारात्मक है; यदि नहीं, तो परिणाम नकारात्मक है।

बताए गए गुणों के साथ, Zn स्पंज चक्र अच्छी तरह से ठीक से निर्मित बैटरी में । उनका प्रदर्शन काउंटर इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोलाइट, सेपरेटर और सेल निर्माण पर भी निर्भर करता है; विश्वसनीय पूर्ण कोशिकाओं का निर्माण इस कागज के दायरे से बाहर है। जेडएन स्पंज की इलेक्ट्रोकेमिकल वैधता का परीक्षण करने के लिए, हम निकेल-मेटल हाइड्राइड बैटरी^{5, 6}से वाणिज्यिक काउंटर इलेक्ट्रोड की कटाई की सलाह^देतेहैं। 10 मिमी व्यास और 0.5 मिमी मोटाई के लिए एक जेडएन-स्पंज को आकार दें। इस स्पंज को डिस्चार्ज के लिए 20 एमए∙ सेमी_जियो^-2 (ज्यामितीय क्षेत्र) और 10 एमए∙ सेमी_जियो^-2 पर निकेल-जिंक सेल में चार्ज करने के लिए साइकिल करें जैसा कि साहित्य⁵में वर्णित है । उचित निर्माण संभालने, जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड को 328 एमए∙एच∙जी_{स्पंज}^-1 (प्रति ग्राम ZnO@Zn-स्पंज इलेक्ट्रोड) की ग्रेविमेट्रिक क्षमता पर साइकिलिंग स्थिरता दिखानी चाहिए जैसा कि दिखाया गया है चित्रा 2 सीमें, जो निर्वहन की 43% गहराई तक नक्शे (जेडएन की सैद्धांतिक ग्रेविमेट्रिक क्षमता से विभाजित इलेक्ट्रोड में जेडएन के हर परमाणु के संबंध में ग्रेविमेट्रिक निर्वहन क्षमता का भागफल)। व्यापक साइकिल चालन के बाद, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी(चित्र 3)स्कैन करके कोई dendrites नहीं देखा जाता है । एक्स-रे विवर्तन का उपयोग जेडएन और जेडएन एफ्लेक्शन¹की निगरानी करके जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड के प्रभारी की स्थिति को ट्रैक करने के लिए किया जा सकता है। हम ध्यान दें कि जेडएन स्पंज की सतह साइकिल चालन के दौरान पुनर्गठन से गुजरती है। निर्वहन का स्तर जितना गहरा होगा और चक्र जीवन उतना ही अधिक होगा, पुनर्गठन की मात्रा⁵होगी। ये कारक चित्रा 3ए, बीमें दिखाए गए सतह आकृति विज्ञान में अंतर में योगदान देते हैं । यदि यह रिचार्जेबल क्षमता प्राप्त हो जाती है, तो परिणाम सकारात्मक है; यदि नहीं, तो परिणाम नकारात्मक है और या तो जेडएन स्पंज, खराब सेल निर्माण, या अन्य सेल घटकों की विफलता के कारण हो सकता है।

चित्रा 1: जलीय-आधारित विधि का उपयोग करके गर्मी उपचार से पहले और बाद में जिंक स्पंज। (A)डेलरिन या पॉलीऑक्सीमिथिलीन (पीओएम) से बने कस्टम-मशीन्ड मोल्ड्स की फोटो जो हीटिंग होने से पहले जेडएन पेस्ट से पैक की जाती है । (ख)हाथ से बने जाल आवरण की तस्वीर, नॉमिनेट एल्यूमिना होल्डर, और जिसके परिणामस्वरूप हीट ट्रीटमेंट के बाद जेडएन स्पंज । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 2: जिंक-स्पंज आकृति विज्ञान और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन। क्रॉस-सेक्शनेड(ए)पायस आधारित जेडएन स्पंज और(बी)जलीय-आधारित जेडएन स्पंज के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ की स्कैनिंग। (ग)एक पायस आधारित स्पंज के समय बनाम एक निकल में साइकिल-जिंक सेल 20 एमए∙ सेमी^{जियो-2} पर छुट्टी और ३२८ एमए∙एच∙जी_{स्पंज-1}की ग्रेविमेट्रिक क्षमता के साथ 10 एमए∙ सेमी ^{जियो-2}पर चार्ज किया । हॉपकिंस एट अल से अनुकूलित डेटा^5,⁶। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 3: जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड डेंड्राइट फॉर्मेशन को दबाते हैं। इलेक्ट्रोकेमिकल साइकिलिंग के बाद पायस आधारित जेडएन स्पंज(ए)पहले और(बी)। हॉपकिंस एट अल⁵से अनुकूलित डेटा । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इन प्रोटोकॉल से जुड़े संशोधनों और समस्या निवारण में ताजा मिश्रित जेडएन पेस्ट को मोल्ड गुहा में भरना शामिल है। हवा की जेब से बचने के लिए सावधानी बरतनी चाहिए। भरने के बाद या भरने के बाद मोल्ड को टैप करके अवांछित रिक्तियों को कम किया जा सकता है। क्योंकि जलीय Zn पेस्ट शुष्क है, मोल्ड गुहा को भरने के दौरान हवा की जेब को बाहर धकेलने के लिए सीधे जेडएन पेस्ट पर दबाव लागू किया जा सकता है।

तरीकों की एक सीमा यह है कि ज़एन-स्पंज पोर संरचना अव्यवस्थित है, लेकिन ज़ेन और पोरोजेन कण के आकार का उपयोग ताकना आकृति विज्ञान को बदलने के लिए किया जा सकता है। एक अधिक आदेश दिया और संभावित रूप से मजबूत और हल्का Zn स्पंज योजक विनिर्माण का उपयोग कर गढ़े जा सकता है। परिणामस्वरूप जेडएन स्पंज के यांत्रिक और विद्युत गुण, हालांकि, अलग-अलग जेडएन-टू-पोरोजेन द्रव्यमान अनुपात और जेडएन और पोरोजेन कणों के आकार और आकार^5,⁶द्वारा ट्यून किया जा सकता है। एक और संभावित सीमा यह है कि सूखे Zn-पेस्ट नाजुक हो सकता है, इसलिए इसे जाल आवरण में स्थानांतरित करना चुनौतीपूर्ण हो सकता है और जेडएन-स्पंज आकार को सीमित कर सकता है।

मौजूदा तरीकों के संबंध में इन तरीकों का महत्व यह है कि जिसके परिणामस्वरूप जेडएन स्पंज उच्च मात्रा और अरियल क्षमताओं के साथ लंबे चक्र जीवन को प्राप्त करते हैं⁵^,⁶. परिणामस्वरूप जेडएन स्पंज भी यांत्रिक रूप से^{मजबूत होते}हैं 5^,⁶.

प्रक्रियाओं के भविष्य के अनुप्रयोगों, सिद्धांत रूप में, बैटरी या अन्य अनुप्रयोगों के लिए अन्य धातु फोम बनाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, लौह, मैग्नीशियम या एल्यूमीनियम फोम धातु-वायु बैटरी^{25, 26, 27}के लिए एनोड के रूप में उपयोगी हो^सकतेहैं। विशेष रूप से जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड का उपयोग कई अनुप्रयोगों के लिए बैटरी बनाने के लिए किया जा सकता है जिसमें वियरेबल्स, ग्रिड स्टोरेज, व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहन और इलेक्ट्रिक एविएशन²⁸शामिल हैं।

एक महत्वपूर्ण कदम है, जो भी संशोधन या समस्या निवारण की आवश्यकता हो सकती है, हीटिंग प्रक्रिया है । भट्ठी का तापमान भिन्न हो सकता है। एन₂के तहत हीटिंग समय, जेडएन के पिघलने बिंदु के पास लेकिन नीचे, जेडएन कणों को एक साथ एनील्स करता है। हवा के नीचे हीटिंग समय अवशिष्ट पोर्गेन जलता है, Zn फ़्यूज़ करता है, और एक ZnO परत बनाता है। यदि जेडएन कण अनुचित रूप से फ्यूजिंग करते दिखाई देते हैं, तो एन₂के तहत हीटिंग समय बढ़ाएं। यदि जेडएनओ परत बहुत मोटी है, तो थर्मल ऑक्साइड की वांछित मोटाई प्राप्त होने तक हवा के नीचे हीटिंग समय को 10 मिनट या उससे अधिक तक कम करें।

हम ध्यान दें कि ZnO की एक मोटी परत Zn स्पंज के यांत्रिक गुणों को बढ़ाता है, लेकिन यह भी Zn इलेक्ट्रोड की तुरंत useable क्षमता कम हो जाती है । जेडएन इलेक्ट्रोड को इलेक्ट्रोकेमेिकल रूप से जेडएनओ को मेटालिक जेडएन में परिवर्तित करके चार्ज किया जा सकता है। हालांकि, डिस्चार्ज की 40% गहराई पर स्थिर साइकिलिंग बिना किसी प्रीचार्ज⁵के प्राप्त की जा सकती है। यदि ZnO परत बहुत पतली है, तो 5 हैंडलिंग के^{दौरान}Zn स्पंज उखड़ सकता है।

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Disclosures

J.F.P., D.R.R., और J.W.L. जस्ता इलेक्ट्रोड से संबंधित पेटेंट पकड़ो: अमेरिकी पेटेंट नहीं 9802254, 10008711, 10720635, और 10763500, यूरोपीय संघ पेटेंट कोई 2926395, और चीन पेटेंट नहीं 104813521 ।

Acknowledgments

इस शोध को यूनाइटेड स्टेट्स ऑफिस ऑफ नेवल रिसर्च द्वारा वित्त पोषित किया गया था ।

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