Summary
والهدف من البروتوكولات المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب كهربائية قابلة لإعادة الشحن من الزنك والإسفنج تقمع التشعبات وتغير الشكل في بطاريات الزنك، مثل النيكل والزنك أو الزنك والهواء.
Abstract
نحن نبلغ عن طريقتين لإنشاء أقطاب الزنك والإسفنج التي تمنع تكوين التشعب وتغيير الشكل لبطاريات الزنك القابلة لإعادة الشحن. وتتميز كلتا الطريقتين من خلال خلق عجينة مصنوعة من جزيئات الزنك، والكاروجين العضوي، وعامل تعزيز اللزوجة التي يتم تسخينها تحت غاز خامل ومن ثم الهواء. أثناء التدفئة تحت الغاز الخامل ، جزيئات الزنك معا ، وتحلل الدروجين ؛ تحت الهواء ، وصمامات الزنك والحروق العضوية المتبقية ، مما أسفر عن رغوة معدنية مفتوحة الخلية أو الإسفنج. نحن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية من الإسفنج الزنك عن طريق نسبة متفاوتة من الزنك إلى هرمون الاستروجين الشامل، ووقت التدفئة تحت الغاز الخامل والهواء، وحجم وشكل جزيئات الزنك والروجين. ميزة من الأساليب المبلغ عنها هي قدرتها على ضبط الهندسة المعمارية الزنك والإسفنج بدقة. يؤثر الحجم والشكل المحددان لجسيمات الزنك والروجين على مورفولوجيا بنية المسام. وهناك قيود على ذلك هو أن الإسفنج الناتج قد اضطراب هياكل المسام التي تؤدي إلى انخفاض القوة الميكانيكية في كسور حجم منخفض من الزنك (<30٪). وتشمل التطبيقات لهذه الأقطاب الزنك الإسفنج بطاريات لتخزين الشبكة، والالكترونيات الشخصية، والمركبات الكهربائية، والطيران الكهربائي. يمكن للمستخدمين توقع أقطاب الزنك والإسفنج لدورة تصل إلى عمق 40٪ من التفريغ بمعدلات ذات الصلة من الناحية التكنولوجية والقدرات الموضعية دون تشكيل dendrites خارقة للفواصل.
Introduction
الغرض من أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب إسفنجية الزنك (Zn) التي تقمع تكوين التشعب وتغيير الشكل. تاريخيا، حدت هذه المشاكل من دورة عمر بطاريات Zn. وقد حلت أقطاب الزنك والإسفنج هذه القضايا، وتمكين بطاريات زين مع حياة أطول دورة1،2،3،4،5،6. هيكل اسفنجة يقمع تشكيل التشعب وتغيير الشكل لأن (1) الإطار تنصهر ZN الأسلاك كهربائيا حجم كامل من الاسفنج. (2) المسام عقد الزنكات بالقرب من سطح Zn-الإسفنج. و (3) الإسفنج لديه مساحة سطح عالية أن يقلل من الكثافة الحالية المحلية تحت القيم المحددة لتنبت dendrites في الشوارد القلوية7. ومع ذلك، إذا كانت مساحة سطح الإسفنج مرتفعة جدا، يحدث تآكل كبير5. إذا كانت المسام الإسفنج كبيرة جدا، فإن الإسفنج لديها قدرة حجمية منخفضة5. أيضا، إذا كانت المسام الإسفنج صغيرة جدا، فإن القطب ZN يكون الكهارل كافية للوصول إلى ZN أثناء التفريغ، مما أدى إلى انخفاض الطاقة والقدرة5،6.
الأساس المنطقي وراء أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء إسفنجات Zn ذات مساميات إسفنجية مناسبة وأقطار مسام. تجريبيا، نجد أن الإسفنج ZN مع المساميات من 50 إلى 70٪ وأقطار المسام بالقرب من دورة 10 ميكرومتر بشكل جيد في بطاريات الخلايا الكاملة وعرض معدلات التآكل منخفضة5. نلاحظ أن الأساليب القائمة لتصنيع الرغاوي المعدنية التجارية تفشل في تحقيق مورفولوجيا مماثلة على هذه المقاييس طول8، لذلك هناك حاجة إلى أساليب التصنيع المبلغ عنها.
وتتميز مزايا الأساليب المبلغ عنها هنا على البدائل من خلال التحكم الدقيق في ميزات الإسفنج والقدرة على تصنيع إسفنجاتZn كبيرة وكثيفة بقيم ذات صلة تكنولوجية ذات قدرة القاعدة5و6و9و10. طرق بديلة لخلق رغاوي زن قد تكون غير قادرة على خلق مماثلة 10 ميكرومتر المسام مع المسام الإسفنج بالقرب من 50٪. غير أن هذه البدائل قد تتطلب طاقة أقل لتصنيعها لأنها تتجنب خطوات المعالجة عالية الحرارة. وتشمل العمليات البديلة الاستراتيجيات التالية: الباردة تلبد جسيمات زن11،إيداع ZN على هياكل المضيف ثلاثي الأبعاد12،13،14،15،16،17،وقطع احباط زين إلى رغاوي ثنائية الأبعاد18،وخلق رغاوي زين عن طريق التحلل سبينودال19 أو انحلال التغلغل20.
يتم تحديد سياق الأساليب المبلغ عنها في الجسم الأوسع للمؤلفات المنشورة في المقام الأول من خلال عمل Drilletوآخرون. وقاموا بتكييف أساليب تصنيع السيراميك المسامي لإنشاء واحدة من أقدم رغاوي Zn ثلاثية الأبعاد المبلغ عنها، وإن كانت هشة، للبطاريات. ومع ذلك، فشل هؤلاء المؤلفون في إثبات قابلية إعادة الشحن، على الأرجح بسبب ضعف الاتصال بين جزيئات Zn. قبل أقطاب Zn-sponge القابلة لإعادة الشحن ، كان أفضل بديل لقطب رقائق Zn هو قطب Zn-powder ، حيث يتم خلط مسحوق Zn مع المنحل بالكهرباء الهلامية. وتستخدم تجاريا أقطاب مسحوق الزنك في البطاريات القلوية الأولية (Zn-MnO2)ولكن لديها ضعف قابلية الشحن لأن جزيئات Zn تصبح مهزوزة بواسطة أكسيد الزنك (ZnO)، والتي يمكن أن تزيد من كثافة التيار المحلي الذي يحفز نمو التشعب3،22. نلاحظ أن هناك استراتيجيات أخرى لقمع التغصن لا تنطوي على رغوة أو الإسفنج العمارات23،24.
تتطلب طرق تصنيع Zn-sponge المبلغ عنها فرن أنبوب ، ومصادر للهواء وغاز النيتروجين (N2)، وغطاء دخان. يمكن تنفيذ جميع الخطوات في مكتب المختبر دون مراقبة بيئية ، ولكن يجب توصيل العادم من فرن الأنبوب أثناء المعالجة الحرارية بغطاء الدخان. الأقطاب الكهربائية الناتجة هي مناسبة للمهتمين في خلق أقطاب ZN القابلة لإعادة الشحن قادرة على قدرة عالية (> 10 مللي أمبير في الساعةجيوسم -2)6.
أول طريقة تصنيع المبلغ عنها هو مسار القائم على مستحلب لإنشاء أقطاب Zn-الإسفنج. والثاني هو طريق مائي. ميزة الطريق مستحلب هو قدرته على خلق عجينة Zn التي، عندما المجففة، من السهل أن demold من تجويف العفن. العيب هو اعتمادها على المواد باهظة الثمن. بالنسبة للطريق المائي ، يمكن أن تكون الأشكال المسبقة للإسفنج صعبة للإزالة ، ولكن هذه العملية تستخدم مواد غير مكلفة ووفيرة.
كلا الأسلوبين تنطوي على خلط جزيئات Zn مع عامل تعزيز اللزوجة واللزوجة. يتم تسخين الخليط الناتج تحت N2 ثم تنفس الهواء (وليس الهواء الاصطناعي). أثناء التدفئة تحت N2، تتحلل جزيئات Zn الصلبة والporogen ؛ تحت الهواء التنفس، جزيئات Zn المصاهر الصمامات والحروق روجين بها. هذه العمليات تسفر عن رغاوي معدنية أو الإسفنج. يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية للإسفنج Zn من خلال نسبة كتلة Zn-to-porogen المختلفة ، ووقت التدفئة تحت N2 والهواء ، وحجم وشكل جزيئات Zn وporogen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. طريقة مستحلب على أساس لإنشاء أقطاب Zn-الإسفنج
- أضف 2.054 مل من الماء المتأين إلى كوب زجاجي سعة 100 مل.
- أضف 4.565 مل من الديسان إلى الكأس.
- يحرك في 0.1000 ± 0.0003 غرام من كبريتات دودسيل الصوديوم (SDS) حتى يذوب.
- يحرك في 0.0050 ± 0.0003 غرام من ملح الصوديوم carboxymethyl carboxymethyl السيلولوز المتوسط القابل للذوبان في الماء (CMC) باليد لمدة 5 دقائق أو حتى يذوب CMC بالكامل.
ملاحظة: استخدم أدوات التحريك البلاستيكية أو البلاستيكية المغلفة. يمكن أن يؤثر التحريك باستخدام أدوات ذات سطح معدني سلبا على إسفنج Zn الناتج. - اثارة في 0.844 ± 0.002 غرام من الماء غير قابل للذوبان المنتفخة carboxymethyl راتنج السليلوز.
ملاحظة: هذا النوع من الراتنج غير القابل للذوبان في الماء مكلف (420 دولار أمريكي كجم-1)6. - يحرك هذا الخليط على 1000 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق باستخدام مجداف علوي مجهز بمجداف بلاستيكي.
- صب 50 غرام من مسحوق زن (متوسط حجم الجسيمات من 50 ميكرومتر، تحتوي على 307 جزء في المليون من البزموت و 307 جزء في المليون من الانديوم لقمع التآكل) في الكأس في حين أن الستيرر العلوي لا يزال يدور في 1000 دورة في الدقيقة.
- استمر في تحريك عجينة Zn لمدة 5 دقائق إضافية بنفس المعدل، 1000 دورة في الدقيقة.
- وقف stirrer، وإزالة الكأس، و outgas الخليط عن طريق وضع الكأس ومحتوياته تحت فراغ لمدة 5 دقائق في مجفف في درجة حرارة الغرفة.
- جزء لصق زين في قوالب البولي بروبلين (~ 10 ملم في القطر و ~ 5 ملم في الارتفاع) والسماح لهم الجافة في الهواء الطلق بين عشية وضحاها. شكل القالب يملي شكل عجينة المجففة والإسفنج ZN الناتجة.
ملاحظة: يمكن أن يختلف حجم وشكل العفن. التجارب السابقة5 بنجاح استخدام قوالب أسطوانية مع أقطار بالقرب من 10 ملم. املأ لصق Zn حتى ارتفاع 5 مم أو أقل. كلما كان الارتفاع أقصر، كلما كان وقت التجفيف المطلوب أقصر. انظر جدول المواد للقوالب المتاحة تجاريا. - إزالة بعناية المجففة زين لصق preforms من قوالب ووضعها في غلاف شبكة التي تقع على حامل الألومينا الشق5،6.
ملاحظة: تصنيع غلاف شبكة، على سبيل المثال، عن طريق الانحناء ورقة النحاس مثقبة في اسطوانة مع قطر أكبر قليلا من القطر المطلوب من القطب Zn-الإسفنج. رش ورقة معدنية مثقبة مع مواد التشحيم البورون نيتريد بعد الانحناء في الشكل المطلوب. - ضع التجميع في فرن أنبوب (قطره 67 مم) مع منافذ لتدفق الغاز داخل وخارج الأنبوب.
ملاحظة: استخدام منفذ واحد (منفذ المدخل) إلى غاز الأنابيب في الفرن. استخدام الآخر (منفذ الخروج) للتنفيس عن الغاز من الفرن أنبوب في غطاء الدخان. - أنبوب N2 الغاز في الفرن لمدة 30 دقيقة بمعدل 5.7 سم∙ دقيقة-1 لتطهير الفرن من الهواء.
ملاحظة: يمكن تحقيق الخطوة 1.13 عن طريق توصيل خزان من الغاز N2 مع مقياس تدفق يتم التحكم فيه رقميا إلى أنبوب متصل بأحد منافذ المدخل. يمكن التحكم في عدادات تدفق الغاز يدويا أو بواسطة جهاز كمبيوتر. - خنق الغاز N2 إلى معدل ثابت من 2.8 سم∙ دقيقة-1 بعد تطهير 30 دقيقة.
- برمج الفرن لزيادة درجة الحرارة خطيا من 20 إلى 369 درجة مئوية على مدار 68 دقيقة، وعقد في 369 درجة مئوية لمدة 5 ساعة، وارتفاع خطيا من 369 إلى 584 درجة مئوية على مدى 105 دقيقة، ومن ثم إيقاف.
- بدء برنامج الفرن في حين أن الغاز N2 لا يزال يتدفق.
- يدويا وقف N2-gas flow بعد عقد درجة الحرارة 5 ساعة والأنابيب في الهواء التنفس في 2.8 سم∙ دقيقة-1.
ملاحظة: يمكن تحقيق الخطوة 1.17 عن طريق توصيل خزان هواء التنفس (وليس الهواء الاصطناعي) بمقياس تدفق يتم التحكم فيه رقميا إلى أنبوب متصل بمنفذ مدخل إضافي. - بمجرد توقف برنامج التدفئة، دع الفرن يبرد إلى درجة حرارة الغرفة دون تبريد نشط، ولكن حافظ على تدفق هواء التنفس.
- إزالة الإسفنج Zn المبردة ورأى لهم و / أو الرمل لهم إلى الأبعاد المطلوبة.
ملاحظة: يمكن استخدام مجموعة متنوعة من أدوات المنشار مثل المناشير الدوارة اليدوية أو مناشير النطاق الرأسي. شفرات جلخ أو الماس هي المناسبة.
2. طريقة المائية لإنشاء أقطاب Zn-الإسفنج
- أضف 10.5 مل من الماء المتأين إلى كوب زجاجي سعة 100 مل.
- يحرك في 0.120 ± 0.001 غرام من السليلوز عالي اللزوجة القابل للذوبان في الماء، والمعروف أيضا باسم ملح الصوديوم carboxymethyl (CMC).
ملاحظة: استخدم أدوات التحريك البلاستيكية أو البلاستيكية المغلفة. يمكن أن يؤثر التحريك باستخدام أدوات ذات سطح معدني سلبا على إسفنج Zn الناتج. - دوامة ويحرك هذا الخليط باليد لمدة 5 دقائق أو حتى يذوب CMC.
- يحرك في 2.400 ± 0.001 غرام من نشا الذرة في حين دوامة لمدة 2 دقيقة إضافية.
- يحرك في 120.00 ± 0.01 غرام من مسحوق زن (متوسط حجم الجسيمات من 50 ميكرومتر، تحتوي على 307 جزء في المليون من البزموت و 307 جزء في المليون من الانديوم لقمع التآكل) في حين دوامة لمدة 2 دقيقة إضافية.
- اضغط على عجينة Zn الناتجة في تجاويف العفن المطلوبة.
ملاحظة: يمكن أن يختلف حجم وشكل العفن. التجارب السابقة6 بنجاح استخدام قوالب أسطوانية مع أقطار بالقرب من 10 ملم. املأ لصق Zn حتى ارتفاع 50 مم أو أقل. عجينة Zn المائية مجففة من عجينة Zn المستحلبة ، لذلك يمكن استخدام النسخة المائية لصنع إسفنجات أكبر تتطلب وقتا أقل للتجفيف. كلما كان الارتفاع أقصر، كلما كان وقت التجفيف المطلوب أقصر. القالب يحتاج إلى أن تكون قادرة على تقسيم إلى نصفين كما عجينة زين مائي العقود الحد الأدنى بعد التجفيف، على عكس عجينة زين مستحلب. يمكن استخدام الزبدة غير المملحة لتليين القوالب قبل الضغط في عجينة Zn المائية للمساعدة في إزالة الدهان. الشكل 1A يظهر قوالب مخصصة تشكيل معبأة مع لصق زين بعد البروتوكول المائي القائم. الشكل 1B يظهر غلاف شبكة مصنوعة يدويا، حامل الألومينا الشق، والإسفنج Zn الناتجة التي أدلى بها باستخدام طريقة المائية القائمة. - اترك قوالب Zn-paste المليئة لتجف بين عشية وضحاها عند 70 درجة مئوية في الهواء الطلق في الفرن.
- اتبع نفس خطوات المعالجة والمعالجة الحرارية (1.11-1.19) الموصوفة للطريقة القائمة على المستحلب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الناتجة، المعالجة حراريا بالكامل، مستحلب القائم على الإسفنج Zn لديها كثافات من 2.8 غرام∙ سم-3 في حين أن الإسفنج المائي نهج 3.3 غ∙سم-3. أثناء التدفئة تحت الهواء، تتشكل طبقة من ZnO على أسطح Zn، والتي يجب أن يكون سمكها 0.5-1.0 ميكرومتر (لوحظ باستخدام المجهر الإلكتروني المسح الضوئي)5. الصلبة في الإسفنج الناتجة ينبغي أن يكون 72٪ ZN (إصدار مستحلب) أو 78٪ زن (نسخة مائي) والباقي هو ZnO (تقاس حيود الأشعة السينية)6. يجب أن يكون لكلا الإسفنجين مساميات بالقرب من 50٪، وتوزيعات قطرها المسام تركز على 10 ميكرومتر، ومناطق سطحية محددة من 4.0 متر2∙ ز-1 (تقاس عن طريق قياس المساميات لتسرب الزئبق)6. يجب أن تكون قوة الشد لكلا الإسفنجين 1.1-1.2 MPa (تقاس بضغط ثنائي الغشاء)5،6. نلاحظ أن الإسفنج يجب أن تكون جامدة وهشة. يجب أن تبدو المقاطع العرضية من إسفنج Zn مشابهة لتلك الموضحة في الشكل 2A، B. إذا كانت جميع خصائص الإسفنج ملفقة تقع ضمن النطاقات المقدمة، والنتيجة إيجابية. إذا لم يكن كذلك، فإن النتيجة سالبة.
مع الخصائص المذكورة، Zn الإسفنج دورة جيدا في البطاريات التي شيدت بشكل صحيح. كما يعتمد أداؤها على القطب العداد، المنحل بالكهرباء، فاصل، وبناء الخلايا. بناء خلايا كاملة موثوق بها خارج نطاق هذه الورقة. لاختبار الصلاحية الكهروكيميائية من الإسفنج زن، ونحن نوصي حصاد أقطاب العداد التجاري من بطاريات هيدريد النيكل والمعادن5،6. شكل زن اسفنجة أن يكون قطرها 10 ملم وسمك 0.5 ملم. دورة هذا الإسفنج في 20 mA∙cmجيو-2 (منطقة هندسية) للتصريف و 10 mA∙cmجيو-2 للشحن في خلية النيكل والزنك كما هو موضح في الأدب5. وبافتراض البناء المناسب، ينبغي أن يظهر قطب Zn-sponge استقرار ركوب الدراجات بقدرة جاذبية تبلغ 328 mA∙h∙gإسفنج-1 (لكل غرام من قطب ZnO@Zn-إسفنجي) كما هو موضح في الشكل 2C، الذي يرسم خرائط لعمق التفريغ بنسبة 43٪ (حاصل قدرة التصريف الجاذبية فيما يتعلق بكل ذرة من ذرة Zn في القطب الكهربائي مقسومة على القدرة النظرية للجاذبية من Zn). بعد ركوب الدراجات واسعة النطاق، لا يتم ملاحظة التشعبات عن طريق المسح المجهري الإلكتروني(الشكل 3). يمكن استخدام حيود الأشعة السينية لتتبع حالة الشحنة من القطب Zn-الإسفنج من خلال رصد انعكاسات Zn و ZnO1. نلاحظ سطح الإسفنج Zn يخضع لإعادة الهيكلة أثناء ركوب الدراجات. كلما كان مستوى التفريغ أعمق وكلما زادت دورة الحياة ، كلما زاد مقدار إعادة الهيكلة5. هذه العوامل تساهم في الفرق في مورفولوجيا السطح هو مبين في الشكل 3A، B. وإذا تحققت هذه القدرة القابلة لإعادة الشحن، تكون النتيجة إيجابية؛ إذا لم يكن كذلك، والنتيجة سلبية ويمكن أن يكون سبب إما الإسفنج Zn، وسوء بناء الخلايا، أو فشل مكونات الخلية الأخرى.
الشكل 1: الإسفنج الزنك قبل وبعد المعالجة الحرارية باستخدام طريقة المائية. (أ) صورة قوالب مخصصة الصنع مصنوعة من Delrin أو polyoxymethylene (POM) التي هي معبأة مع عجينة Zn قبل حدوث التدفئة. (ب) صورة من صنع يدوي شبكة غلاف، حامل الألومينا الشق، والإسفنج زن الناتجة بعد المعالجة الحرارية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مورفولوجيا الزنك والإسفنج والأداء الكهروكيميائية. المسح المجهري الإلكتروني من المقطع العرضي(أ)مستحلب القائم على إسفنجة Zn و (B) الإسفنج Zn المائية القائمة. (C) الجهد مقابل الوقت من اسفنجة مستحلب القائم على تدويرها في خلية النيكل والزنك تفريغها في 20 mA∙ سمجيو-2 واتهم في 10 mA∙cmجيو-2 مع قدرة gravimetric من 328 mA∙h∙gالإسفنج-1. بيانات مقتبسة من هوبكنز وآخرون5و6. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: أقطاب الزنك والإسفنج قمع تشكيل التشعب. مستحلب القائم على إسفنجة زين (أ) قبل و (ب) بعد ركوب الدراجات الكهروكيميائية. البيانات المقتبسة من Hopkins et al.5. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تتضمن التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها المرتبطة بهذه البروتوكولات ملء عجينة Zn المختلطة حديثا في تجويف العفن. يجب توخي الحذر لتجنب جيوب الهواء. يمكن تقليل الفراغات غير المرغوب فيها عن طريق النقر على القالب بعد التعبئة أو أثناء التعبئة. لأن عجينة Zn المائية جافة ، يمكن تطبيق الضغط مباشرة على عجينة Zn لدفع جيوب الهواء أثناء ملء تجويف القالب.
وهناك قيود على الأساليب هو أن Zn-الإسفنج بنية المسام هو اضطراب، ولكن يمكن استخدام أحجام الجسيمات زين والروجين لتغيير مورفولوجيا المسام. قد تكون ملفقة أكثر أمرت ويحتمل أن تكون أقوى وأخف وزنا الإسفنج زان باستخدام التصنيع المضافة. الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية من الإسفنج Zn الناتجة، ومع ذلك، يمكن ضبطها من قبل متفاوتة Zn-إلى-porogen نسبة الكتلة وحجم وشكل Zn والجسيمات بروجين5،6. وهناك قيد محتمل آخر هو أن عجينة Zn المجففة يمكن أن تكون هشة ، لذلك قد يكون نقلها إلى غلاف شبكي تحديا ويحد من حجم Zn-sponge.
أهمية هذه الأساليب فيما يتعلق بالأساليب القائمة هو أن الإسفنج Zn الناتجة تحقيق دورة حياة طويلة مع قدرات الحجم الكبير والحجي5،6. الإسفنج ZN الناتجة هي أيضا قوية ميكانيكيا5،6.
ويمكن، من حيث المبدأ، تكييف التطبيقات المستقبلية للعمليات من أجل إنشاء رغاوي معدنية أخرى للبطاريات أو تطبيقات أخرى. على سبيل المثال، قد يكون الحديد، المغنيسيوم، أو رغاوي الألومنيوم مفيدة كما أنودات لبطاريات المعادن والهواء25،26،27. يمكن استخدام أقطاب Zn-sponge ، على وجه الخصوص ، لإنشاء بطاريات لمجموعة من التطبيقات التي تشمل الأجهزة القابلة للارتداء وتخزين الشبكة والإلكترونيات الشخصية والمركبات الكهربائية والطيران الكهربائي28.
الخطوة الهامة، والتي قد تتطلب أيضا التعديل أو استكشاف الأخطاء وإصلاحها، هي عملية التدفئة. يمكن أن تختلف درجات حرارة الفرن. وقت التدفئة تحت N2، بالقرب من ولكن تحت نقطة انصهار Zn ، الصلبان جزيئات Zn معا. وقت التدفئة تحت الهواء يحرق من هرمون الاستروجين المتبقية، يدمج Zn، ويشكل طبقة ZnO. إذا كانت جزيئات Zn يبدو أن الصمامات بشكل غير صحيح، وزيادة وقت التدفئة تحت N2. إذا كانت طبقة ZnO سميكة جدا، تقليل وقت التدفئة تحت الهواء من قبل 10 دقيقة أو أكثر حتى يتم تحقيق سمك المطلوب من أكسيد الحرارية.
نلاحظ أن طبقة سميكة من ZnO يعزز الخصائص الميكانيكية للإسفنجة Zn ولكن أيضا يقلل من القدرة على الاستخدام الفوري للقطب Zn. يمكن شحن القطب Zn عن طريق تحويل الكهروكيميائية ZnO إلى Zn المعدنية. ومع ذلك، يمكن تحقيق ركوب الدراجات مستقرة في عمق 40٪ من التفريغ دون أي شحن مسبق5. إذا كانت طبقة ZnO رقيقة جدا ، يمكن أن تنهار إسفنجة Zn أثناء التعامل مع5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يحمل J.F.P.، D.R.R.، وJ.W.L. براءات اختراع تتعلق بأقطاب الزنك: براءات الاختراع الأمريكية رقم 9802254، 10008711، 10720635، 10763500، براءة الاختراع الأوروبية رقم 2926395، والصين للبراءات رقم 104813521.
Acknowledgments
وقد مول هذا البحث مكتب البحوث البحرية في الولايات المتحدة.
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.
