Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Zink-Svamp batteri elektroder, der undertrykker Dendrites

Published: September 29, 2020 doi: 10.3791/61770
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2
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

Målet med de rapporterede protokoller er at skabe genopladelige zink-svamp elektroder, der undertrykker dendritter og formændring i zinkbatterier, såsom nikkel-zink eller zink-luft.

Abstract

Vi rapporterer to metoder til at skabe zink-svamp elektroder, der undertrykker dendrite dannelse og form forandring for genopladelige zink batterier. Begge metoder er kendetegnet ved at skabe en pasta lavet af zinkpartikler, organisk porogen og viskositetsforbedrende middel, der opvarmes under en inaktiv gas og derefter luft. Under opvarmning under inaktiv gas nedbrydes zinkpartiklerne anneal sammen, og porogen nedbrydes; under luft brænder zinksikringerne og rest organiske forbrændinger ud, hvilket giver et fricellet metalskum eller svamp. Vi tuner zinksvampenes mekaniske og elektrokemiske egenskaber ved at variere zink-til-porogen masseforhold, opvarmningstid under inaktiv gas og luft og størrelse og form af zink- og porogenpartiklerne. En fordel ved de rapporterede metoder er deres evne til at finjustere zink-svamp arkitektur. Den valgte størrelse og form af zink- og porogenpartiklerne påvirker porestrukturens morfologi. En begrænsning er, at resulterende svampe har uorganiseret pore strukturer, der resulterer i lav mekanisk styrke ved lav volumen fraktioner af zink (<30%). Applikationer til disse zink-svampe elektroder omfatter batterier til netlagring, personlig elektronik, elektriske køretøjer og elektrisk luftfart. Brugere kan forvente zink-svamp elektroder til at cykle op til 40% dybde udledning på teknologisk relevante satser og areal kapacitet uden dannelsen af separator-piercing dendritter.

Introduction

Formålet med de rapporterede fabrikationsmetoder er at skabe zink (Zn) svampeelektroder, der undertrykker dendritdannelse og formændring. Historisk set har disse problemer begrænset Zn-batteriernes cykluslevetid. Zink-svamp elektroder har løst disse problemer, så Zn batterier med længere cyklus liv1,2,3,4,5,6. Svampestrukturen undertrykker dendritdannelse og formændring, fordi (1) den sammensmeltede Zn-ramme elektrisk ledninger hele svampens volumen; 2) porerne holder zinkat nær Zn-svampeoverfladen og (3) svampen har et højt overfladeareal, der reducerer den lokale strømtæthed under de værdier, der er identificeret til at spire dendritter i alkaliske elektrolytter7. Men hvis svampeoverfladearealet er for højt, opstår der betydelig korrosion5. Hvis svampen porerne er for store, svampen vil have en lav volumetrisk kapacitet5. Også, hvis svampen porer er for små, Zn elektroden vil have utilstrækkelig elektrolyt til at få adgang til Zn under udledning, hvilket resulterer i lav effekt og kapacitet5,6.

Begrundelsen bag de rapporterede fabrikationsmetoder er at skabe Zn svampe med passende svamp porøsiteter og pore diametre. Eksperimentelt finder vi, at Zn svampe med porøsiteter fra 50 til 70% og porediametre nær 10 μm cyklus godt i fuldcellebatterier og vise lave korrosionshastigheder5. Vi bemærker, at eksisterende metoder til fremstilling af kommercielle metalskum ikke opnår lignende morfologier på disse længdeskalaer8, så de rapporterede fremstillingsmetoder er nødvendige.

Fordelene ved de metoder, der rapporteres her over alternativer, er kendetegnet ved fin kontrol af svampefunktioner og ved evnen til at fremstille store, tætte Zn svampe med teknologisk relevante arealkapacitetsværdier5,6,9,10. Alternative metoder til at skabe Zn skum kan være i stand til at skabe sammenlignelige 10 μm porer med svamp porøsiteter nær 50%. Sådanne alternativer kan dog kræve mindre energi for at fremstille, fordi de undgår højtemperaturbehandlingstrin. Alternative processer omfatter følgende strategier: kold sintring Zn partikler11, deponering Zn på tre-dimensionelle vært strukturer12,13,14,15,16,17, skære Zn folie i to-dimensionelle skum18, og skabe Zn skum via spinodal nedbrydning19 eller percolation opløsning20.

Konteksten for de rapporterede metoder i den offentliggjorte litteraturs bredere krop er primært etableret ved arbejde fra Drillet et al.21. De tilpassede metoder til fremstilling af porøs keramik for at skabe en af de tidligst rapporterede tredimensionelle, omend skrøbelige, Zn-skum til batterier. Disse forfattere, dog undladt at påvise genopladelighed, sandsynligvis på grund af den dårlige forbindelse mellem Zn partikler. Forud for genopladelige Zn-svampeelektroder var det bedste alternativ til en Zn folieelektrode en Zn-pulverelektrode, hvori Zn pulver blandes med en gelelektrolyt. Zinkpulverelektroder anvendes kommercielt i primære alkaliske batterier (Zn-MnO2), men har dårlig genopladelighed , fordi Zn-partikler bliver passiveret af Zn-oxid (ZnO), hvilket kan øge den lokale strømtæthed , der ansporer til dendritvækst3,22. Vi bemærker, at der er andre dendrite-undertrykkelsesstrategier, der ikke involverer skum- eller svampearkitekturer23,24.

De rapporterede Zn-svampefremstillingsmetoder kræver en rørovn, kilder til luft og nitrogengas (N2) og en røghætte. Alle trin kan udføres ved et laboratoriebord uden miljøkontrol, men udstødning fra rørovnen under varmebehandling skal ledes til en røghætte. Resulterende elektroder er velegnede til dem, der er interesseret i at skabe genopladelige Zn-elektroder, der er i stand til høj arealkapacitet (> 10 mAh cmgeo–2)6.

Den første rapporterede fabrikationsmetode er en emulsionsbaseret rute til at skabe Zn-svampeelektroder. Den anden er en vandig rute. En fordel ved emulsionsruten er dens evne til at skabe Zn-pasta, der, når den tørres, er let at demolde fra et skimmelhulrum. En ulempe er dens afhængighed af dyre materialer. For den vandige rute kan svampepræforme være udfordrende at deolde, men denne proces bruger billige og rigelige materialer.

Begge metoder involverer blanding af Zn-partikler med et porogen- og viskositetsfremmende middel. Den resulterende blanding opvarmes under N2 og indånder derefter luft (ikke syntetisk luft). Under opvarmning under N2nedbrydes Zn-partiklerne anneal og porogen; under indånding luft, smelter de udglødede Zn partikler og porogen brænder ud. Disse processer giver metalskum eller svampe. Zn svampenes mekaniske og elektrokemiske egenskaber kan indstilles ved varierende Zn-til-porogen masseforhold, opvarmningstid under N2 og luft samt størrelse og form af Zn- og porogenpartiklerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. En emulsionsbaseret metode til at skabe Zn-svampeelektroder

  1. Tilsæt 2,054 mL deioniseret vand til et 100 mL glasbægerglas.
  2. Der tilsættes 4,565 mL karaffel til bægeret.
  3. Rør i 0,1000 ± 0,0003 g natrium dodecyl sulfat (SDS), indtil opløst.
  4. Der omrøres 0,0050 ± 0,0003 g vandopløseligt medium viskositet carboxymethyl cellulose (CMC) natriumsalt i hånden i 5 minutter, eller indtil CMC er helt opløst.
    BEMÆRK: Brug plast- eller plastbelagt omrøringsværktøj. Omrøring med værktøj med en metallisk overflade kan påvirke resulterende Zn svampe negativt.
  5. Der omrøres 0,844 ± 0,002 g vanduopløseligt forudsået karboxymethylcelluloseharpiks.
    BEMÆRK: Denne type vanduopløselig harpiks er dyr (USD $ 420 kg-1)6.
  6. Rør denne blanding ved 1.000 omdrejninger i minuttet i 5 minutter ved hjælp af en overhead padle omrører udstyret med en plastik padle.
  7. Hæld 50 g Zn pulver (gennemsnitlig partikelstørrelse på 50 μm, der indeholder 307 ppm bismuth og 307 ppm indium til korrosionsundertrykkelse) i bægeret, mens overhead omrøreren fortsætter med at dreje ved 1.000 omdrejninger i minuttet.
  8. Fortsæt med at røre Zn pasta i yderligere 5 min i samme tempo, 1.000 omdrejninger i minuttet.
  9. Stop omrøreren, fjern bægeret, og udgas blandingen ved at placere bægeret og dets indhold under vakuum i 5 minutter i en ekssikkator ved stuetemperatur.
  10. Del Zn pastaen i polypropylen forme (~ 10 mm i diameter og ~ 5 mm i højden) og lad dem tørre i fri luft natten over. Formen af formen dikterer formen af den tørrede pasta og deraf følgende Zn svampe.
    BEMÆRK: Skimmel størrelse og form kan variere. Tidligere eksperimenter5 med succes bruge cylindriske forme med diametre nær 10 mm. Fyld Zn-pastaen op til en højde på 5 mm eller mindre. Jo kortere højden er, jo kortere er den nødvendige tørretid. Se Materialeoversigten for kommercielt tilgængelige forme.
  11. Fjern forsigtigt den tørrede Zn-pasta præforme fra formene og læg dem i et nethus, der hviler på en hakket aluminiumoxidholder5,6.
    BEMÆRK: Fabrikere mesh beklædning, for eksempel ved at bøje en perforeret messing ark i en cylinder med en diameter, der er lidt større end den ønskede diameter af Zn-svamp elektrode. Sprøjt det perforerede metalplade med bornitridsmøremiddel efter bøjning i en ønsket form.
  12. Sæt samlingen i en rørovn (67 mm i diameter) med porte til at strømme gas ind og ud af røret.
    BEMÆRK: Brug én port (indgangsporten) til at føre gas ind i ovnen. Brug den anden (udgangsporten) til at udlufte gas ud af rørovnen ind i en røghætte.
  13. Rør N2 gas i ovnen i 30 min med en hastighed på 5,7 cm∙min-1 for at rense ovnen af luft.
    BEMÆRK: Trin 1.13 kan opnås ved at forbinde en tank med N2-gas med en digitalt styret flowmåler til et rør, der er tilsluttet en af indgangsportene. Gasstrømsmålere kan styres manuelt eller af en computer.
  14. N2-gassen gassen til en konstant hastighed på 2,8 cm∙min-1 efter 30 minutters udrensning.
  15. Ovnen skal øge temperaturen lineært fra 20 til 369 °C i løbet af 68 minutter, holde ved 369 °C i 5 timer, stige lineært fra 369 til 584 °C i løbet af 105 minutter og derefter slukke.
  16. Start ovnprogrammet, mens N 2-gassen fortsætter med at strømme.
  17. Stop manuelt N2-gasstrømmenefter 5 timers temperaturhold og rør i indåndingsluft ved 2,8 cm∙min-1.
    BEMÆRK: Trin 1.17 kan opnås ved at forbinde en tank åndedrætsluft (ikke syntetisk luft) med en digitalt styret strømningsmåler til et rør, der er tilsluttet en ekstra indgangsport.
  18. Når varmeprogrammet stopper, skal ovnen afkøles til stuetemperatur uden aktiv køling, men lad åndedrætsluften flyde.
  19. Fjern de afkølede Zn svampe og så dem og / eller sand dem til de ønskede dimensioner.
    BEMÆRK: Der kan anvendes en række savværktøjer såsom håndholdte roterende save eller lodrette båndsave. Slibe- eller diamantblade er passende.

2. En vandig-baseret metode til at skabe Zn-svamp elektroder

  1. Tilsæt 10,5 mL deioniseret vand til et 100 mL glasbægerglas.
  2. Rør i 0,120 ± 0,001 g vandopløselige høj viskositet cellulose tyggegummi, også kendt som carboxymethyl cellulose (CMC) natriumsalt.
    BEMÆRK: Brug plast- eller plastbelagt omrøringsværktøj. Omrøring med værktøj med en metallisk overflade kan påvirke resulterende Zn svampe negativt.
  3. Vortex og rør denne blanding i hånden i 5 min eller indtil CMC er opløst.
  4. Rør i 2.400 ± 0,001 g majsstivelse, mens hvirvler i yderligere 2 min.
  5. Der omrøres 120,00 ± 0,01 g Zn-pulver (gennemsnitlig partikelstørrelse på 50 μm, der indeholder 307 ppm bismuth og 307 ppm indium til korrosionsbekæmpelse), mens der hvirvles i yderligere 2 minutter.
  6. Tryk den resulterende Zn pasta i ønskede skimmel hulrum.
    BEMÆRK: Skimmel størrelse og form kan variere. Tidligere eksperimenter6 med succes bruge cylindriske forme med diametre nær 10 mm. Fyld Zn-pastaen op til en højde på 50 mm eller mindre. Den vandige Zn pasta er tørretumbler end emulsion Zn pasta, så den vandige version kan bruges til at gøre større svampe, der kræver mindre tørretid. Jo kortere højden er, jo kortere er den nødvendige tørretid. Formen skal være i stand til at opdele i halve som den vandige Zn pasta minimalt kontrakter efter tørring, i modsætning til emulsion Zn pasta. Usaltet smør kan bruges til at smøre forme, før du trykker i den vandige Zn pasta til støtte i demolding. Figur 1A viser de specialbearbejdede forme pakket med Zn-pasta efter den vandige-baserede protokol. Figur 1B viser det håndlavede nethus, den hakkede aluminiumoxidholder og den resulterende Zn-svamp, der er fremstillet ved hjælp af den vandige metode.
  7. Lad Zn-pastafyldte forme tørre natten over ved 70 °C i fri luft i en ovn.
  8. De samme håndterings- og varmebehandlingstrin (1.11-1.19), der er beskrevet for den emulsionsbaserede metode, følges.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Emulsionsbaserede Zn-svampe, der er fuldt varmebehandlede, har tætheder på 2,8 g∙ cm–3, mens vandige svampe nærmer sig 3,3 g∙ cm-3. Under opvarmning under luft dannes et lag ZnO på Zn-overfladerne, som skal have en tykkelse på 0,5-1,0 μm (observeret ved hjælp af scanningselektronmikroskopi)5. Det faste stof i de resulterende svampe skal være 72% Zn (emulsionsversion) eller 78% Zn (vandig version), mens resten er ZnO (målt ved røntgendiffraktion)6. Begge svampe skal have porøsiteter på næsten 50 %, porediameterfordelinger centreret på 10 μm og specifikke overfladearealer på 4,0 m2∙g-1 (målt via kviksølvindtrængnings porosimetry)6. Trækstyrken for begge svampe skal være 1,1-1,2 MPa (målt med diametral kompression)5,6. Vi bemærker, at svampene skal være stive og sprøde. Tværsnit af Zn-svampene skal se ud som dem, der er vist i figur 2A, B. Hvis alle de fremstillede svampes egenskaber falder inden for de medfølgende intervaller, er resultatet positivt; Hvis ikke, er resultatet negativt.

Med de angivne egenskaber cykler Zn svampe godt i korrekt konstruerede batterier. Deres ydeevne afhænger også af tællerelektroden, elektrolytten, separatoren og cellekonstruktionen; konstruktion af pålidelige fulde celler er uden for rammerne af dette papir. For at teste Zn svampes elektrokemiske gyldighed anbefaler vi, at du høster kommercielle tællerelektroder fra nikkel-metalhydridbatterier5,6. Form en Zn-svamp med en diameter på 10 mm og en tykkelse på 0,5 mm. Cycle denne svamp på 20 mA∙cmgeo-2 (geometrisk område) for udledning og 10 mA∙cmgeo-2 til opladning i en nikkel-zink celle som beskrevet i litteraturen5. Hvis der antages en passende konstruktion, skal Zn-svampeelektroden udvise cykelstabilitet med en gravimetrisk kapacitet på 328 mA∙h∙gsvamp-1 (pr. gram ZnO@Zn svampelektrode) som vist i figur 2C, som kortlægger 43% udledningsdybde (kvotienten af gravimetrisk udledningskapacitet for hvert atom af Zn i elektroden divideret med Zn's teoretiske gravimetriske kapacitet). Efter omfattende cykling observeres ingen dendritter ved at scanne elektronmikroskopi (Figur 3). X-ray diffraktion kan bruges til at spore tilstanden af ladning af Zn-svamp elektrode ved at overvåge Zn og ZnO refleksioner1. Vi bemærker overfladen af Zn svamp gennemgår omstrukturering under cykling. Jo dybere udledningsniveauet er, og jo større cykluslevetiden er, jo større er omstruktureringen5. Disse faktorer bidrager til forskellen i overflademorfologi som vist i figur 3A, B. Hvis denne genopladelige kapacitet opnås, er resultatet positivt; Hvis ikke, er resultatet negativt og kan være forårsaget af enten Zn-svampen, dårlig cellekonstruktion eller svigt af andre cellekomponenter.

Figure 1
Figur 1: Zinksvampe før og efter varmebehandling ved hjælp af den vandige metode. (A) Foto af specialbearbejdede forme lavet af Delrin eller polyoxymethylen (POM), der er pakket med Zn pasta før opvarmning opstår. (B) Foto af håndlavet nethus, hakket aluminiumoxidholder og deraf følgende Zn-svamp efter varmebehandling. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Zinksvampmorfologi og elektrokemisk ydeevne. Scanning af elektronmikrografer af tværsnit (A) emulsionsbaseret Zn svamp og (B) vandig Zn svamp. (C) Spænding kontra tid af en emulsionsbaseret svamp, der er cyklet i en nikkel-zinkcelle, der udledes ved 20 mA∙ cmgeo–2 og opladet ved 10 mA∙ cmgeo–2 med en gravimetrisk kapacitet på 328 mA∙h∙gsvamp–1. Data tilpasset fra Hopkins et al.5,6. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Zinksvampelektroder undertrykker dendritdannelse. Emulsionsbaseret Zn svamp (A) før og (B) efter elektrokemisk cykling. Data tilpasset fra Hopkins et al.5. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ændringer og fejlfinding i forbindelse med disse protokoller omfatter påfyldning af frisk blandet Zn pasta i en form hulrum. Der skal drages omsorg for at undgå luftlommer. Uønskede hulrum kan reduceres ved at trykke på formen efter påfyldning eller under påfyldning. Fordi den vandige Zn pasta er tør, kan trykket anvendes direkte på Zn pasta til at skubbe ud luftlommer, mens fylde formen hulrum.

En begrænsning af metoderne er, at Zn-svamp pore struktur er uorden, men Zn og porogen partikelstørrelser kan bruges til at ændre pore morfologi. En mere ordnet og potentielt stærkere og lettere Zn svamp kan fremstilles ved hjælp af additiv fremstilling. De mekaniske og elektrokemiske egenskaber af resulterende Zn svampe, dog, kan indstilles ved varierende Zn-til-porogen masseforhold og størrelse og form af Zn og porogen partikler5,6. En anden potentiel begrænsning er, at den tørrede Zn-pasta kan være skrøbelig, så det kan være udfordrende at overføre den til et nethus og begrænse Zn-svampestørrelsen.

Betydningen af disse metoder med hensyn til eksisterende metoder er , at resulterende Zn svampe opnå lang cyklus levetid med høj volumetrisk og areal kapacitet5,6. Resulterende Zn svampe er også mekaniskrobuste 5,6.

Fremtidige anvendelser af processerne kan i princippet tilpasses til at skabe andre metalskum til batterier eller andre anvendelser. For eksempel kan jern, magnesium eller aluminium skum være nyttige som anoder til metal-luft batterier25,26,27. Især Zn-svampeelektroder kan bruges til at skabe batterier til en række applikationer, der omfatter wearables, netlagring, personlig elektronik, elektriske køretøjer og elektrisk luftfart28.

Et kritisk trin, som også kan kræve ændring eller fejlfinding, er opvarmningsprocessen. Ovntemperaturerne kan variere. Opvarmningstiden under N2, nær, men under Zn's smeltepunkt, udglød Zn-partiklerne sammen. Opvarmningstiden under luft brænder ud resterende porogen, fusionerer Zn, og danner en ZnO lag. Hvis Zn-partiklerne ser ud til at smelte forkert, skal opvarmningstiden øges under N2. Hvis ZnO-laget er for tykt, skal opvarmningstiden under luft reduceres med 10 min eller mere, indtil den ønskede tykkelse af termisk oxid er opnået.

Vi bemærker, at et tykt lag ZnO forbedrer Zn-svampens mekaniske egenskaber, men også reducerer Zn-elektrodens umiddelbart brugbare kapacitet. Zn elektroden kan oplades ved elektrokemisk konvertering ZnO til metallisk Zn. Men stabil cykling ved 40% dybdeafladning kan opnås uden forudladning5. Hvis ZnO-laget er for tyndt, kan Zn-svampen smuldre under håndtering5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

J.F.P., D.R.R., og J.W.L. har patenter relateret til zinkelektroder: AMERIKANSKE patenter nr. 9802254, 10008711, 10720635 og 10763500, EU Patent no 2926395 og China Patent no. 104813521.

Acknowledgments

Denne forskning blev finansieret af United States Office of Naval Research.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Parker, J. F., et al. Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion. Science. 356 (6336), 415-418 (2017).
  4. 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).
  5. Hopkins, B. J., et al. Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells. Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).
  6. Hopkins, B. J., et al. Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries. Sustainable Energy & Fuels. 4, 3363-3369 (2020).
  7. 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).
  8. Ashby, M. F., et al. Metal Foams: A Design Guide. , Butterworth-Heinemann. Oxford. (2000).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Chamoun, M., et al. NPG Asia Materials. 7, 178 (2015).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Li, C., et al. Spatially homogeneous copper foam as surface dendrite-free host for zinc metal anode. Chemical Engineering Journal. 379, 122248 (2020).
  18. Zhou, Z., et al. Graphene oxide-modified zinc anode for rechargeable aqueous batteries. Chemical Engineering Science. 194, 142-147 (2019).
  19. 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).
  20. Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries. ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).
  21. 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).
  22. Bozzini, B., et al. Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography. ACS Applied Energy Materials. , (2020).
  23. 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).
  24. Yang, Q., et al. Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes. Advanced Materials. 32, 2001755 (2020).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement. Science. 362, 658-661 (2018).
  28. Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R. High-Performance Structural Batteries. Joule. , (2020).

Tags

Kemi Genopladelige batterier zink svamp dendritter form forandring alkaliske elektrolytter metal skum open-cell skum zink batterier nikkel-zink sølv-zink zink-luft bæredygtige batterier
Zink-Svamp batteri elektroder, der undertrykker Dendrites
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hopkins, B. J., Sassin, M. B.,… More

Hopkins, B. J., Sassin, M. B., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. R. Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites. J. Vis. Exp. (163), e61770, doi:10.3791/61770 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter