Name: Dendritleri Bastıran Çinko-Sünger Pil Elektrotları (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Öğrenin alkalin pillerde dendrit oluşumunu baskılayan düşük maliyetli çinko-sünger elektrot üretim yöntemini. Bu teknik, elektrot yapısının parçacık boyutu ve ısıl işlemle ayarlanmasına olanak tanır.

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

Bu araştırma Amerika Birleşik Devletleri Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından finanse edildi.

1. Zn-sünger elektrotları oluşturmak için emülsiyon tabanlı bir yöntem
<ol><li>100 mL cam kabına 2.054 mL deiyonize su ekleyin.</li>
	<li>Behere 4.565 mL dekane ekleyin.</li>
	<li>Çözünene kadar 0.1000 ± 0.0003 g sodyum dodecyl sülfat (SDS) karıştırın.</li>
	<li>0.0050 ± 0.0003 g suda çözünen orta viskoziteli karboksimetil selüloz (CMC) sodyum tuzunun 5 dakika boyunca veya CMC tamamen çözünene kadar elle karıştırın. NOT: Plastik veya plastik kaplı karıştırma aletleri kullanın. Metalik yüzeyli aletlerle karıştırmak, ortaya çıkan Zn süngerlerini olumsuz yönde etkileyebilir.</li>
	<li>0.844 ± 0.002 g suda çözünmeyen preswollen karboksimetil selüloz reçine karıştırın. NOT: Bu tür suda çözünmeyen reçine pahalıdır (USD 420 kg–1)6.</li>
	<li>Plastik kürekle donatılmış bir havai kürek karıştırıcı kullanarak bu karışımı 1.000 rpm'de 5 dakika karıştırın.</li>
	<li>50 g Zn tozu (ortalama partikül boyutu 50 μm, 307 ppm bismuth ve korozyon bastırma için 307 ppm indiyum içeren) behere dökün, tepe karıştırıcı ise 1.000 rpm'de dönmeye devam eder.</li>
	<li>Zn macunu aynı hızda 5 dakika daha karıştırmaya devam edin, 1.000 rpm.</li>
	<li>Karıştırıcıyı durdurun, kabı çıkarın ve kabı ve içeriğini oda sıcaklığında bir kurutucuya 5 dakika vakumun altına yerleştirerek karışımı söndür.</li>
	<li>Zn macunu polipropilen kalıplara (~10 mm çapında ve ~5 mm yüksekliğinde) porsiyonlayın ve bir gecede açık havada kurumasına izin verin. Kalıbın şekli kurutulmuş macun ve elde eden Zn süngerlerinin şeklini belirler. NOT: Kalıp boyutu ve şekli değişebilir. Geçmiş deneyler5, 10 mm'ye yakın çaplara sahip silindirik kalıpları başarıyla kullanır. Zn macunu 5 mm veya daha yüksekliğe kadar doldurun. Yükseklik ne kadar kısa olursa, gerekli kurutma süresi de o kadar kısa olur. Ticari olarak kullanılabilen kalıplar için Malzeme Tablosu'nu görün.</li>
	<li>Kurutulmuş Zn macunu preformlarını kalıplardan dikkatlice çıkarın ve çentikli bir alümina tutucuya dayanan bir ağ kasasına yerleştirin5,6. NOT: Örneğin, delikli pirinç bir tabakayı Zn-sünger elektrodun istenen çapından biraz daha büyük bir çapa sahip bir silindire bükerek örgü muhafazası üretin. Delikli metal levhayı istenen şekle büktükten sonra bor-nitrür yağlayıcı ile püskürtün.</li>
	<li>Montajı, borunun içine ve dışına gaz akışı için bağlantı noktalarına sahip bir boru fırınına (67 mm çapında) yerleştirin. NOT: Fırına gaz borulamak için bir bağlantı noktası (giriş port) kullanın. Tüp fırınından duman kaputuna gaz boşaltmak için diğerini (çıkış portu) kullanın.</li>
	<li>Boru N2 gaz hava fırın temizlemek için 5.7 cm/dk–1 hızında 30 dakika boyunca fırına. NOT: Adım 1.13, dijital olarak kontrol edilen bir debi ölçere sahip bir N2 gazı tankının giriş bağlantı noktalarından birine bağlı bir tüpe bağlanmasıyla elde edilebilir. Gaz akış ölçerler manuel olarak veya bir bilgisayar tarafından kontrol edilebilir.</li>
	<li>30 dakikalık tasfiyeden sonraN 2 gazını 2,8 cm/dk–1 sabit bir hıza kısın.</li>
	<li>Fırını, sıcaklığı 68 dakika boyunca doğrusal olarak 20 ila 369 ° C arasında artıracak şekilde programlayın, 5 saat boyunca 369 ° C'de tutun, 105 dakika boyunca 369 ila 584 ° C arasında doğrusal olarak yükselin ve ardından kapatın.</li>
	<li>N2 gazı akmaya devam ederken fırın programını başlatın.</li>
	<li>2,8cm-1'desolunum havasında 5 saat sıcaklık tutma ve borudan sonra N 2 -gaz akışını manuel olarak durdurun. NOT: Adım 1.17, dijital olarak kontrol edilen bir akış ölçerle bir solunum havası tankının (sentetik hava değil) ek bir giriş portu bağlantısına bağlı bir tüpe bağlanmasıyla elde edilebilir.</li>
	<li>Isıtma programı durduktan sonra, fırını aktif soğutma olmadan oda sıcaklığına soğumaya bırakın, ancak solunum havasını akmaya devam edin.</li>
	<li>Soğutulmuş Zn süngerlerini çıkarın ve bunları görün ve/ veya istediğiniz boyutlara zımparalayın. NOT: El döner testereler veya dikey bant testereleri gibi çeşitli testere aletleri kullanılabilir. Aşındırıcı veya elmas bıçaklar uygundur.</li>
</ol>2. Zn-sünger elektrotları oluşturmak için sulu tabanlı bir yöntem
<ol><li>100 mL'lik cam bir kabın içine 10,5 mL deiyonize su ekleyin.</li>
	<li>Karboksimetil selüloz (CMC) sodyum tuzu olarak da bilinen 0.120 ± 0.001 g suda çözünen yüksek viskoziteli selüloz sakızını karıştırın. NOT: Plastik veya plastik kaplı karıştırma aletleri kullanın. Metalik yüzeyli aletlerle karıştırmak, ortaya çıkan Zn süngerlerini olumsuz yönde etkileyebilir.</li>
	<li>Girdap ve 5 dakika boyunca veya CMC çözülene kadar bu karışımı elle karıştırın.</li>
	<li>2.400 ± 0.001 g mısır nişastası karıştırın ve 2 dakika daha girdaplanın.</li>
	<li>120.00 ± 0.01 g Zn tozu (ortalama partikül boyutu 50 μm, korozyon bastırma için 307 ppm bismuth ve 307 ppm indium içerir) karıştırın ve 2 dakika daha girdaplayın.</li>
	<li>Elde edilen Zn macunu istenen kalıp boşluklarına bastırın. NOT: Kalıp boyutu ve şekli değişebilir. Geçmiş deneyler6, 10 mm'ye yakın çaplara sahip silindirik kalıpları başarıyla kullanır. Zn macunu 50 mm veya daha yüksekliğe kadar doldurun. Sulu Zn macunu emülsiyon Zn macunundan daha kurutucudur, bu nedenle sulu versiyon daha az kurutma süresi gerektiren daha büyük süngerler yapmak için kullanılabilir. Yükseklik ne kadar kısa olursa, gerekli kurutma süresi de o kadar kısa olur. Sulu Zn macunu, emülsiyon Zn macunlarının aksine, kuruduktan sonra minimum daralırken kalıbın ikiye bölünmesi gerekir. Tuzsuz tereyağı, susuz Zn macununa basmadan önce kalıpları yağlamak için kullanılabilir. Şekil 1A, sulu tabanlı protokolün ardından Zn macunu ile paketlenmiş özel işlenmiş kalıpları gösterir. Şekil 1B, sulu tabanlı yöntem kullanılarak yapılan el yapımı örgü muhafazasını, çentikli alümina tutucuyu ve elde edilen Zn süngerini göstermektedir.</li>
	<li>Zn macunu dolu kalıpları bir fırında açık havada 70 °C'de bir gecede kurumaya bırakın.</li>
	<li>Emülsiyon bazlı yöntem için açıklanan aynı elleçleme ve ısıtma adımlarını (1.11–1.19) izleyin.</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. ve J.W.L. çinko elektrotlarla ilgili patentlere sahipler: 9802254, 10008711, 10720635 ve 10763500 numaralı ABD Patentleri, ab patenti 2926395 ve Çin Patent no. 104813521.

Bu protokollerle ilişkili değişiklikler ve sorun giderme, taze karıştırılmış Zn macunun bir kalıp boşluğuna doldurulmasıdır. Hava ceplerinden uzak durmaya özen gösterilmelidir. İstenmeyen boşluklar, doldurduktan sonra veya doldururken kalıba dokunularak azaltılabilir. Sulu Zn macunu kuru olduğundan, kalıp boşluğunu doldururken hava ceplerini dışarı itmek için doğrudan Zn macununa basınç uygulanabilir.
Yöntemlerin bir sınırlaması, Zn-sünger gözenek yapısının düzensiz olmasıdır, ancak Zn ve poro...

Bildirilen imalat yöntemlerinin amacı, dendrit oluşumunu ve şekil değişimini baskılayan çinko (Zn) sünger elektrotlar oluşturmaktır. Tarihsel olarak, bu sorunlar Zn pillerin çevrim ömrünü sınırlamaktadır. Çinko-sünger elektrotlar bu sorunları çözmüştür, daha uzun çevrim ömrüne sahip Zn pillerin1,2 ,3,4,5,6. Sünger yapısı dendrit oluşumunu ve şekil değişimini bastırır, çünkü (1) kaynaşmış Zn çerçevesi süngerin tüm hacmini elektriksel olarak teller; (2) gözenekler Zn-sünger yüzeyinin yakınında çinko tutar; ve (3) sünger, alkali elektrolitlerde dendritleri filizlendirecek değerlerin altında yerel akım yoğunluğunu azaltan yüksek bir yüzey alanına sahiptir7. Bununla birlikte, sünger yüzey alanı çok yüksekse, önemli korozyon meydana gelir5. Sünger gözenekleri çok büyükse, sünger düşük hacimsel kapasiteye sahip olacaktır5. Ayrıca, sünger gözenekleri çok küçükse, Zn elektrodu deşarj sırasında Zn'ye erişmek için yetersiz elektrolitlere sahip olacak ve bu da düşük güç ve kapasite5,6ile sonuçlanacaktır.
Bildirilen imalat yöntemlerinin arkasındaki mantık, uygun sünger gözenekli ve gözenek çaplarına sahip Zn süngerleri oluşturmaktır. Deneysel olarak, %50 ila %70 arasında gözenekli Zn süngerler ve 10 μm'ye yakın gözenek çaplarının tam hücreli pillerde iyi çevrim yaptığını ve düşük korozyon oranları sergilediğini görüyoruz5. Ticari metal köpükler üretmek için mevcut yöntemlerin bu uzunluk ölçeklerinde benzer morfolojileri elde edemediğini not ediyoruz8, bu nedenle bildirilen imalat yöntemlerine ihtiyaç vardır.
Burada bildirilen yöntemlerin alternatiflere göre avantajları, sünger özelliklerinin ince kontrolü ve teknolojik olarak ilgili areal kapasite değerleri 5 , 6,9,10ile büyük, yoğunZnsüngerleri imal etme yeteneği ile karakterize edilir. Zn köpükleri oluşturmak için alternatif yöntemler, % 50'ye yakın sünger gözenekli benzer 10 μm gözenekler oluşturamayabilir. Bununla birlikte, bu tür alternatifler, yüksek sıcaklık işleme adımlarından kaçındıkları için daha az enerji gerektirebilir. Alternatif süreçler aşağıdaki stratejileri içerir: soğuk sinterleme Zn parçacıkları11, üç boyutlu konak yapıları12 , 13,14,15,16,17,kesme Zn folyo iki boyutlu köpükler18içine kesme ve spinodal ayrışma yoluyla Zn köpükler oluşturma19 veya acolation çözünme20.
Yayınlanan literatürün geniş gövdesinde bildirilen yöntemlerin bağlamı öncelikle Drillet ve ark.21'dengelen çalışmalarla oluşturulmuştur. Gözenekli seramikleri imal etme yöntemlerini, piller için kırılgan da olsa en eski bildirilen üç boyutlu Zn köpüklerinden birini oluşturmak için uyarladılar. Ancak bu yazarlar, muhtemelen Zn parçacıkları arasındaki zayıf bağlantı nedeniyle şarj edilebilirliği gösteremediler. Şarj edilebilir Zn-sünger elektrotlardan önce, Zn folyo elektroduna en iyi alternatif, Zn tozinin jel elektrolit ile karıştırıldığı bir Zn-toz elektroduydu. Çinko-toz elektrotlar birincil alkalin pillerde (Zn-MnO2)ticari olarak kullanılır, ancak Zn parçacıkları Zn oksit (ZnO) tarafından pasif hale geldiği için zayıf şarj edilebilirliğe sahiptir, bu da dendrit büyümesini teşvik eden yerel akım yoğunluğunu artırabilir3,22. Köpük veya sünger mimarileri içermeyen başka dendrit bastırma stratejileri olduğunu not ediyoruz23,24.
Bildirilen Zn-sünger imalat yöntemleri bir tüp fırını, hava ve azot gazı kaynakları (N2)ve bir duman kaputu gerektirir. Tüm adımlar çevre kontrolü olmadan bir laboratuvar masasında gerçekleştirilebilir, ancak ısıl işlem sırasında tüp fırınından egzoz bir duman kaputuna borulanmalıdır. Elde edilen elektrotlar, yüksek areal kapasitesine sahip şarj edilebilir Zn elektrotları oluşturmak isteyenler için uygundur (> 10 mAh cmgeo–2)6.
Bildirilen ilk imalat yöntemi, Zn-sünger elektrotları oluşturmak için emülsiyon tabanlı bir rotadır. İkincisi, sulu tabanlı bir rotadır. Emülsiyon rotasının bir avantajı, kurutulduğunda bir kalıp boşluğundan demold etmesi kolay olan Zn macunu oluşturma yeteneğidir. Dezavantajı pahalı malzemelere olan güvenidir. Sulu rota için sünger ön formlarının demold edilmesi zor olabilir, ancak bu işlem ucuz ve bol miktarda malzeme kullanır.
Her iki yöntem de Zn parçacıklarını bir porojen ve viskozite artırıcı madde ile karıştırmayı içerir. Elde eden karışım N2 altında ısıtılır ve daha sonra hava solur (sentetik hava değil). N2altında ısıtma sırasında, Zn parçacıkları tavlama ve porojen ayrışır; soluma havası altında tavlanmış Zn parçacıkları kaynaşır ve porojen yanar. Bu işlemler metal köpükler veya süngerler verir. Zn süngerlerinin mekanik ve elektrokimyasal özellikleri, değişen Zn-porogen kütle oranı, N2 ve hava altında ısıtma süresi ve Zn ve porojen parçacıklarının boyutu ve şekli ile ayarlanabilir.

<table><tbody><tr><td>Mısır nişastası</td><td>Argo</td><td>Uygulanamaz</td><td>Bu, porojen ve viskozite arttırıcı bir ajan olarak işlev görür.</td></tr><tr><td>Decane</td><td>MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>Orta viskoziteli suda çözünür karboksimetil selüloz (CMC) sodyum tuzu</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>Bu CMC, esas olarak viskozite arttırıcı bir ajan olarak işlev görür.</td></tr><tr><td>Üstten karıştırıcı</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Zn süngerler için küçük silindirik modeller</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>Şişelerin kapakları kalıp olarak kullanılabilir.</td></tr><tr><td>Sodyum dodesil sülfat</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>Suda çözünmeyen İyonSep CMC 52 preswollen karboksimetil selüloz reçinesi</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>Bu CMC, bir porojen ve viskozite arttırıcı ajan olarak işlev görür.</td></tr><tr><td>Zn tozu</td><td>EverZinc</td><td>Özel sipariş</td><td></td></tr></tbody></table>

dendritleri bastıran Çinko-sünger pil elektrotları

Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

Şarj edilebilir çinko piller için dendrit oluşumunu ve şekil değişimini baskılayan çinko-sünger elektrotlar oluşturmak için iki yöntem rapor ediyoruz. Her iki yöntem de çinko parçacıkları, organik porojen ve viskozite artırıcı maddeden yapılmış bir macun oluşturarak karakterize edilir. Atıl gaz altında ısıtma sırasında, çinko parçacıkları birbirine tavlar ve porojen ayrışır; hava altında, çinko kaynaşır ve artık organik yanar, açık hücreli metal köpük veya sünger verir. Çinko-porojen kütle oranını, inert gaz ve hava altında ısıtma süresini ve çinko ve porojen parçacıklarının boyutunu ve şeklini değiştirerek çinko süngerlerinin mekanik ve elektrokimyasal özelliklerini ayarlıyoruz. Bildirilen yöntemlerin bir avantajı, çinko-sünger mimarisini ince ayar yapma yetenekleridir. Çinko ve porojen parçacıklarının seçilen boyutu ve şekli gözenek yapısının morfolojisini etkiler. Bir sınırlama, ortaya çıkan süngerlerin düşük hacimli çinko fraksiyonlarında düşük mekanik mukavemetle sonuçlanan düzensiz gözenek yapılarına sahip olmasıdır (%<30). Bu çinko-sünger elektrotlar için uygulamalar arasında şebeke depolama, kişisel elektronik, elektrikli araçlar ve elektrikli havacılık için piller bulunur. Kullanıcılar, çinko-sünger elektrotların ayırıcı delici dendritler oluşmadan teknolojik olarak ilgili oranlarda ve areal kapasitelerde% 40'a kadar deşarj derinliğine kadar döngüye sahip olmasını bekleyebilirler.

Elde edilen, tamamen ısıl işlem görmüş, emülsiyon bazlı Zn süngerleri 2,8 g⭐cm–3 yoğunluktayken sulu bazlı süngerler 3,3 g⭐cm–3'eyaklaşır. Hava altında ısıtma sırasında, Zn yüzeylerinde 0,5–1,0 μm kalınlığında olması gereken bir ZnO tabakası oluşur (tarama elektron mikroskopisi kullanılarak gözlenir)5. Elde edilen süngerlerdeki katı% 72 Zn (emülsiyon versiyonu) veya% 78 Zn (sulu versiyon) olmalıdır ve geri kalanı ZnO (X-ışını kırınımı ile ölçülür)6. He...

Bildirilen protokollerin amacı, nikel-çinko veya çinko-hava gibi çinko pillerdeki dendritleri ve şekil değişimini baskılayan şarj edilebilir çinko-sünger elektrotlar oluşturmaktır.

Dendritleri Bastıran Çinko-Sünger Pil Elektrotları

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

Bu protokol, bir alkalin pilde çevrildiğinde dendritleri bastıran bir çinko elektrot oluşturmak için kolay, düşük maliyetli bir yöntem sağlar. Bu tekniğin temel avantajı, çinko parçacık boyutunu, menşe türünü ve boyutunu veya ısıl işlem protokolünü değiştirerek çinko elektrotun yapısını kolayca ayarlayabilmesidir. Bu protokol kullanılarak oluşturulan metal sünger, standart metal köpük üretim yöntemleri kullanılarak elde edilmesi zor olabilen nispi yoğunluğa ve hücre boyutuna girer.2.054 mililitrelik bir cam behere 4.565 mililitre deiyonize su ve 100 mililitre dekan ekleyerek başlayın. Daha sonra çözeltiyi karıştırarak 0.1 gram SDS'yi çözün. Daha sonra, behere beş miligram suda çözünür orta viskoziteli CMC sodyum tuzu ekleyin ve beş dakika veya eriyene kadar karıştırın.Plastik veya plastik kaplı karıştırma aletleri kullanın, çünkü metalik bir yüzey ortaya çıkan çinko süngerleri olumsuz etkileyebilir. Behere 0.844 gram suda çözünmeyen önceden şişmiş karboksimetil selüloz reçinesi ekleyin ve karıştırın. Beheri plastik bir kürek ile donatılmış bir baş üstü kürek karıştırıcı üzerinde tutun ve tüm karışımı beş dakika boyunca 1.000 RPM'de karıştırın.50 gram çinko tozu ekleyin ve beş dakika daha karıştırmaya devam edin. Beş dakika sonra karıştırıcıyı durdurun ve kabı çıkarın. Karışımı ve içeriğini vakum altında çıkarmak için beheri oda sıcaklığında beş dakika boyunca bir kurutucuya yerleştirin.Çinko macununu, gece boyunca havayla kurutmak için yaklaşık 10 milimetre çapında ve beş milimetre yüksekliğinde polipropilen kalıplara porsiyonlayın. Kuruduktan sonra, çinko macununu kalıplardan dikkatlice çıkarın ve çentikli bir alümina tutucuya dayanan bir ağ kasaya yerleştirin. Düzeneği, tüpün içine ve dışına gaz akışı sağlamak için portları olan bir tüp fırına yerleştirin.Fırını havadan arındırmak için nitrojen gazını dakikada 5,7 santimetre hızında 30 dakika fırına sıkın. 30 dakikalık temizlemeden sonra, nitrojen gazını dakikada 2,8 santimetre sabit bir hıza kadar kısın. Fırının sıcaklığını 68 dakika boyunca doğrusal olarak 20 ila 369 santigrat derece arasında artacak şekilde programlayın, beş saat boyunca 369 santigrat derecede tutun, 369 dakika boyunca doğrusal olarak 584 ila 105 santigrat derece arasında yükselin ve ardından kapatın.Nitrojen akmaya devam ederken fırın programını başlatın. Beş saatlik sıcaklık tutuşundan sonra nitrojen gazı akışını manuel olarak durdurun ve dakikada 2,8 santimetre solunum havası sıkın. Solunum havasının akışını sağlarken ısıtma programı durduğunda fırını oda sıcaklığına soğumaya bırakın.Son olarak, soğutulmuş çinko süngerleri çıkarın ve istediğiniz boyutlarda testere ile kesin veya zımparalayın. 100 mililitrelik bir cam behere 10,5 mililitre deiyonize su ekleyin. Daha sonra 0.12 gram suda çözünür yüksek viskoziteli selüloz sakızı ekleyin ve plastik kaplı bir karıştırma aleti kullanarak karıştırın.Bu karışımı girdap haline getirin ve beş dakika boyunca veya selüloz sakızı eriyene kadar elle karıştırın. Beheri iki dakika vortekslerken 2.4 gram mısır nişastası ekleyin ve ardından iki dakika daha vorteksleme yaparken 120 gram hazırlanmış çinko tozu ekleyin. Bittiğinde, elde edilen çinko macununu istenen kalıp boşluklarına bastırın ve bir fırında açık havada 70 santigrat derecede gece boyunca kurumaya bırakın.Kuruduktan sonra, çinko macununu kalıplardan dikkatlice çıkarın ve çentikli bir alümina tutucuya dayanan bir ağ kasaya yerleştirin. Düzeneği, tüpün içine ve dışına gaz akışı sağlamak için portları olan bir tüp fırına yerleştirin. Fırını havadan arındırmak için nitrojen gazını dakikada 5,7 santimetre hızında 30 dakika fırına sıkın.30 dakikalık temizlemeden sonra, nitrojen gazını dakikada 2,8 santimetre sabit bir hıza kadar kısın. Fırının sıcaklığını 68 dakika boyunca doğrusal olarak 20 ila 369 santigrat derece arasında artacak şekilde programlayın, beş saat boyunca 369 santigrat derecede tutun, 369 dakika boyunca doğrusal olarak 584 ila 105 santigrat derece arasında yükselin ve ardından kapatın. Nitrojen akmaya devam ederken fırın programını başlatın.Beş saatlik sıcaklık tutmadan sonra, nitrojen gazı akışını manuel olarak durdurun ve dakikada 2,8 santimetre solunum havası sıkın. Solunum havasının akışını sağlarken ısıtma programı durduğunda fırının oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Son olarak, soğutulmuş çinko süngerleri çıkarın ve istediğiniz boyutlarda testere veya zımparalayın.Bu protokol, santimetreküp başına 2.8 gram yoğunluğa sahip emülsiyon bazlı çinko süngerler ve santimetreküp başına 3.3 gram yoğunluğa sahip su bazlı süngerler üretmek için kullanıldı. Çinko süngerler sert ve kırılgan olmalıdır. Kesitleri burada gösterilenlere benzer görünmelidir.Elde edilen çinko süngerlerin tüm özellikleri, metin yazısında verilen aralıklar içinde olmalıdır. Çinko sünger elektrot, gram çinko başına 328 miliamper saatlik bir gravimetrik kapasitede bir döngü stabilitesi gösterir ve bu da %43'lük bir deşarj derinliğine eşlenir. Verimliliklerini tahmin etmek için inşa edilen çinko elektrotların kapsamlı elektrokimyasal döngüsünden sonra, çinko sünger elektrotların taranan elektron mikrograflarında hiçbir dendrit gözlenmedi.Çinko süngerin yüzeyi, döngü sırasında yeniden yapılanmaya uğrar. Deşarj seviyesi ne kadar derin ve çevrim ömrü ne kadar uzun olursa, yeniden yapılandırma miktarı da o kadar büyük olur. Bu protokolü denerken, karışımı plastik kaplı bir aletle karıştırmayı unutmayın.Benzer imalat işlemleri, çok sayıda uygulama için farklı metallere dayalı diğer metal köpük türlerini oluşturmak için kullanılabilir.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Kimya

Bir protokol çinko / hava hücresi için geliştirilen önceki teknolojisini kullanarak çoklu elektron metal / hava pil sistemlerinin çalışma sunulmuştur. Elektrokimyasal test sonra performansını değerlendirmek için fabrikasyon pil ile gerçekleştirilir.

VB Fabrikasyon<sub&gt; 2</subElektrokimyasal Test için&gt; / Hava Hücreleri

Biz Sinkrotron X-ışını soğurma spektroskopisi (XAS) ve X-ışını kırınımı Li-ion ve Na-ion piller için elektrot malzemeleri intercalation / deintercalation süreçlerin detaylarını prob (XRD) teknikleri kullanımını tanımlamak. In situ ve ex-situ deneyler cihazların çalışması için gerekli yapısal davranışını anlamak için kullanılır hem de...

Sinkrotron Radyasyon Teknikleri Kullanarak Lityum İyon ve Sodyum iyon piller için elektrot Malzemelerin Karakterizasyonu

In situ nötron toz difraksiyonu (NPD) kullanılan elektrot maddelerinden incelenmesi için bir elektrokimyasal hücre tasarımı ve yapımı tarif etmektedir. Biz kısaca yerinde NPD hücre tasarımları alternatif yorumlamak ve bu hücre kullanılarak üretilen yerinde NPD verilerine karşılık gelen analiz yöntemlerini tartışmak.

Yerinde Nötron Toz Kırınım olarak Ismarlama Lityum-iyon Piller kullanma

Senkrotron tabanlı sert X-ışını mikrotomografisi, bir lityum metal elektrottan gelen dendritlerin katı bir polimer elektrolit zarı aracılığıyla elektrokimyasal büyümesini görüntülemek için kullanılır.

Sinkrotron merkezli Sert X-ışını Microtomography kullanılması Akü Arıza Analizi

Susuz elektrot işleme, madeni para hücrelerinin yapımında ve lityum iyon piller için yeni elektrot kimyalarının değerlendirilmesinde merkezi bir öneme sahiptir. Akademik bir deney ortamında pillerle çalışan bir elektrokimya mühendisi olarak ihtiyaç duyulan temel uygulamalara adım adım bir kılavuz sunulmaktadır.

Lityum-ion Coin Hücrelerinin Susuz Elektrot İşleme ve İnşaat

Bir odaklı iyon ışını kullanarak mamüllerinin active LiPON tabanlı katı hal lityum nanobatteries imalatı için bir protokol sunulmuştur.

LiPON tabanlı katı hal lityum-iyon Nanobatteries in Situ test etmek için odaklı iyon kiriş imalatı

Referans elektrotlar bir Li-iyon batarya birleşme bozulması mekanizmaları, yüksek voltaj aydınlatmak için değerli bilgiler sağlar. Bu makalede, biz en fazla elektrokimyasal ölçümlerde elde edilen verilerin doğruluğunu sağlamak için derleme adımları birlikte birden çok başvuru elektrotlar barındıran bir cep tasarım mevcut.

İn Situ Lithiated referans elektrot: Dört elektrot tasarım operando empedans spektroskopisi için

Üç elektrot hücre Lityum-iyon piller elektrokimya okumak yararlı olur. Elektrokimyasal bir Kur decoupled ve bağımsız olarak muayene için anot ve katot ile ilişkili olayları sağlar. Burada, analytics kaplama Lityum vurgu ile inşaat ve üç elektrot madeni para hücre kullanımı için bir rehber mevcut.

Üç elektrot madeni para hücre hazırlık ve Electrodeposition analiz için lityum-iyon pil

Hangi sodyum asetat methanesulfonic elektrolit bir katkı olarak içinde sağlanan genişletilmiş bir ömrü çözünür kurşun akışı pille inşası için bir protokol sunulmuştur.

Sodyum asetat katkı ile çözünür kurşun akışı süt ömrünü uzatma

(De)lithiation sırasında Si nanopartiküllerinin hacim değişimini kullanarak, mevcut protokol, in situ iletim elektron mikroskobu kullanarak tüm katı hal pilleri için potansiyel kaplamaların bir tarama yöntemini açıklamaktadır.

Yerinde İletim Elektron Mikroskobu Kullanılarak Tamamen Katı Hal Pili için Kaplamaların Taranması

Burada, Arşimet'in kurşun-asit pil elektrot gözeneklerini ölçmek için temel alınan basit ve düşük maliyetli gliserol yer değiştirme yöntemini sunuyoruz. Bu yöntem iyi tekrarlanabilirlik gösterir ve geleneksel tekniklerden daha güvenlidir; düşük riskli kimyasallar ve ekipmanlar gerektirir. Bu tekniği X-ışını kırınımı ile mikrostruktural analizle birleştirmek, pil elektrodlarının özellikleri ve bozulması hakkında bilgi sağlar.

Kurşun-Asit Pillerde Elektrot Gözenekliği Ölçümü için Arşimet Bazlı Gliserol Deplasmanı

Öğrenin alkalin pillerde dendrit oluşumunu baskılayan düşük maliyetli çinko-sünger elektrot üretim yöntemini. Bu teknik, elektrot yapısının parçacık boyutu ve ısıl işlemle ayarlanmasına olanak tanır.

Dendritleri Bastıran Çinko-Sünger Pil Elektrotları

Daha fazla video keşfet