Summary
Das Ziel der berichteten Protokolle ist es, wiederaufladbare Zinkschwammelektroden zu schaffen, die Dendriten und Formveränderungen in Zinkbatterien wie Nickel-Zink oder Zink-Luft unterdrücken.
Abstract
Wir berichten über zwei Methoden zur Herstellung von Zinkschwammelektroden, die die Dendritenbildung und Formänderung für wiederaufladbare Zinkbatterien unterdrücken. Beide Verfahren zeichnen sich durch die Herstellung einer Paste aus Zinkpartikeln, organischem Porogen und viskositätssteigerndem Mittel aus, die unter einem Inertgas und dann unter Luft erhitzt wird. Während der Erwärmung unter dem Inertgas glühen die Zinkpartikel zusammen und das Porogen zersetzt sich; Unter Luft verschmilzt das Zink und organische Reste brennen aus, wodurch ein offenzelliger Metallschaum oder Schwamm ergibt. Wir stimmen die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Zinkschwämme ab, indem wir das Zink-Porogen-Massenverhältnis, die Aufheizzeit unter Inertgas und Luft sowie die Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel variieren. Ein Vorteil der berichteten Methoden ist ihre Fähigkeit, die Zink-Schwamm-Architektur fein abzustimmen. Die gewählte Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel beeinflusst die Morphologie der Porenstruktur. Eine Einschränkung besteht darin, dass resultierende Schwämme ungeordnete Porenstrukturen aufweisen, die zu einer geringen mechanischen Festigkeit bei Zinkanteilen mit geringem Volumen führen (<30%). Zu den Anwendungen für diese Zinkschwammelektroden gehören Batterien für Netzspeicher, persönliche Elektronik, Elektrofahrzeuge und elektrische Luftfahrt. Anwender können erwarten, dass Zinkschwammelektroden bis zu 40% Entladungstiefe bei technologisch relevanten Raten und arealen Kapazitäten ohne die Bildung von separatordurchdringenden Dendriten durchlaufen.
Introduction
Der Zweck der berichteten Herstellungsmethoden besteht darin, Zink (Zn) Schwammelektroden herzustellen, die die Dendritenbildung und Formänderung unterdrücken. In der Vergangenheit haben diese Probleme die Lebensdauer von Zn-Batterien eingeschränkt. Zinkschwammelektroden haben diese Probleme gelöst und ermöglichen Zn-Batterien mit längeren Zykluslebensdauern1,2,3,4,5,6. Die Schwammstruktur unterdrückt dendritenbildung und Formänderung, da (1) das verschmolzene Zn-Gerüst das gesamte Volumen des Schwamms elektrisch verdrahtet; (2) die Poren enthalten Zinkat in der Nähe der Zn-Schwammoberfläche; und (3) der Schwamm eine hohe Oberfläche hat, die die lokale Stromdichte unter die Werte verringert, die als Keimdendriten in alkalischen Elektrolyten identifiziert wurden7. Wenn die Schwammoberfläche jedoch zu hoch ist, tritt erhebliche Korrosion auf5. Wenn die Schwammporen zu groß sind, hat der Schwamm eine geringe volumetrische Kapazität5. Wenn die Schwammporen zu klein sind, hat die Zn-Elektrode nicht genügend Elektrolyt, um während der Entladung auf Zn zuzugreifen, was zu einer geringen Leistung und Kapazitätführt 5,6.
Die Begründung für die berichteten Herstellungsmethoden besteht darin, Zn-Schwämme mit geeigneten Schwammporositäten und Porendurchmessern herzustellen. Experimentell stellen wir fest, dass Zn-Schwämme mit Porositäten von 50 bis 70% und Porendurchmessern nahe 10 μm in Vollzellenbatterien gut durchlaufen und niedrige Korrosionsraten aufweisen5. Wir stellen fest, dass bestehende Methoden zur Herstellung kommerzieller Metallschäume keine ähnlichen Morphologien auf diesen Längenskalenerreichen 8, so dass die berichteten Herstellungsmethoden erforderlich sind.
Die Vorteile der hier berichteten Verfahren gegenüber Alternativen zeichnen sich durch eine Feinkontrolle der Schwammeigenschaften und durch die Fähigkeit aus, große, dichte Zn-Schwämme mit technologisch relevanten Arealkapazitätswerten5,6,9,10herzustellen . Alternative Methoden zur Herstellung von Zn-Schäumen sind möglicherweise nicht in der Lage, vergleichbare 10-μm-Poren mit Schwammporositäten nahe 50% zu erzeugen. Solche Alternativen benötigen jedoch möglicherweise weniger Energie für die Herstellung, da sie Hochtemperaturverarbeitungsschritte vermeiden. Alternative Verfahren umfassen folgende Strategien: Kaltsintern von Zn-Partikeln11, Abscheiden von Zn auf dreidimensionalen Wirtsstrukturen12,13,14,15,16,17 , Schneiden von Zn-Folie in zweidimensionale Schäume18und Erzeugen von Zn-Schäumen durch Spinodalzersetzung19 oder Perkolationsauflösung20.
Der Kontext der berichteten Methoden im weiteren Teil der veröffentlichten Literatur wird in erster Linie durch Arbeiten von Drillet et al.21ermittelt. Sie adaptierten Methoden zur Herstellung poröser Keramik, um einen der frühesten berichteten dreidimensionalen, wenn auch zerbrechlichen Zn-Schäume für Batterien herzustellen. Diese Autoren konnten jedoch keine Wiederaufladbarkeit nachweisen, wahrscheinlich wegen der schlechten Konnektivität zwischen den Zn-Partikeln. Vor wiederaufladbaren Zn-Schwammelektroden war die beste Alternative zu einer Zn-Folienelektrode eine Zn-Pulverelektrode, bei der Zn-Pulver mit einem Gelelektrolyten gemischt wird. Zinkpulverelektroden werden kommerziell in primären Alkalibatterien (Zn-MnO2) verwendet, haben jedoch eine schlechte Wiederaufladbarkeit, da Zn-Partikel durch Zn-Oxid (ZnO) passiviert werden, was die lokale Stromdichte erhöhen kann, die das Dendritenwachstum antreibt3,22. Wir stellen fest, dass es andere Dendritenunterdrückungsstrategien gibt, die keine Schaum- oder Schwammarchitekturen beinhalten23,24.
Die berichteten Zn-Schwamm-Herstellungsmethoden erfordern einen Rohrofen, Luft- und Stickstoffgasquellen (N2)und einen Abzug. Alle Schritte können an einem Labortisch ohne Umgebungskontrolle durchgeführt werden, aber der Auspuff aus dem Rohrofen während der Wärmebehandlung sollte in einen Abzug geleitet werden. Die resultierenden Elektroden eignen sich für diejenigen, die daran interessiert sind, wiederaufladbare Zn-Elektroden zu schaffen, die eine hohe räumliche Kapazität (> 10 mAh cmgeo-2)6 haben.
Die erste berichtete Herstellungsmethode ist ein emulsionsbasierter Weg zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden. Die zweite ist eine wässrige Route. Ein Vorteil des Emulsionsweges ist seine Fähigkeit, Zn-Paste herzustellen, die, wenn sie getrocknet wird, leicht aus einem Schimmelpilzhohlraum entformt werden kann. Ein Nachteil ist die Abhängigkeit von teuren Materialien. Für den wässrigen Weg können Schwammvorformen schwierig zu entformen sein, aber dieser Prozess verwendet kostengünstige und reichlich vorhandene Materialien.
Beide Verfahren beinhalten das Mischen von Zn-Partikeln mit einem porogenen und viskositätssteigernden Mittel. Das resultierende Gemisch wird unterN2 erhitzt und dann Atemluft (nicht synthetische Luft). Beim Erhitzen unterN2glühen die Zn-Partikel und das Porogen zersetzt sich; unter Atemluft verschmelzen die geglühten Zn-Partikel und das Porogen brennt aus. Bei diesen Prozessen ergeben sich Metallschäume oder Schwämme. Die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Zn-Schwämme können durch Variation des Zn-zu-Porogen-Massenverhältnisses, der Aufheizzeit unterN2 und Luft sowie der Größe und Form der Zn- und Porogenpartikel abgestimmt werden.
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Protocol
1. Eine emulsionsbasierte Methode zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden
- Fügen Sie 2.054 ml entionisiertes Wasser zu einem 100 ml Glasbecher hinzu.
- Fügen Sie 4.565 ml Decan in das Becherglas hinzu.
- 0,1000 ± 0,0003 g Natriumdodecylsulfat (SDS) bis zum Auflösen unterrühren.
- 0,0050 ± 0,0003 g wasserlösliches mittelviskoses Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz 5 min oder bis das CMC vollständig gelöst ist, von Hand einrühren.
HINWEIS: Verwenden Sie kunststoff- oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge. Das Rühren mit Werkzeugen mit metallischer Oberfläche kann sich nachteilig auf die resultierenden Zn-Schwämme auswirken. - 0,844 ± 0,002 g wasserunlösliches vorgeschwollenes Carboxymethylcelluloseharz unterrühren.
HINWEIS: Diese Art von wasserunlöslichem Harz ist teuer (USD $ 420 kg-1)6. - Rühren Sie diese Mischung bei 1.000 U / min für 5 min mit einem Überkopf-Paddelrührer, der mit einem Kunststoffpaddel ausgestattet ist.
- Gießen Sie 50 g Zn-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße von 50 μm, enthält 307 ppm Wismut und 307 ppm Indium zur Korrosionsunterdrückung) in das Becherglas, während sich der Überkopfrührer mit 1.000 U / min weiter dreht.
- Rühren Sie die Zn-Paste für weitere 5 Minuten mit der gleichen Geschwindigkeit, 1.000 U / min weiter.
- Stoppen Sie den Rührer, entfernen Sie das Becherglas undgasen Sie die Mischung aus, indem Sie das Becherglas und seinen Inhalt für 5 min in einem Absauger bei Raumtemperatur unter Vakuum stellen.
- Die Zn-Paste in Polypropylenformen (~10 mm Durchmesser und ~5 mm Höhe) portionieren und über Nacht im Freien trocknen lassen. Die Form der Form bestimmt die Form der getrockneten Paste und der resultierenden Zn-Schwämme.
HINWEIS: Formgröße und -form können variieren. Frühere Experimente5 verwenden erfolgreich zylindrische Formen mit Durchmessern nahe 10 mm. Füllen Sie die Zn-Paste bis zu einer Höhe von 5 mm oder weniger. Je kürzer die Höhe, desto kürzer die erforderliche Trocknungszeit. Siehe Materialtabelle für handelsübliche Formen. - Entfernen Sie vorsichtig die getrockneten Zn-Paste-Preforms aus den Formen und legen Sie sie in ein Netzgehäuse, das auf einem gekerbten Aluminiumoxidhalter5,6 aufliegt.
HINWEIS: Stellen Sie ein Netzgehäuse her, indem Sie beispielsweise eine perforierte Messingplatte in einen Zylinder mit einem Durchmesser biegen, der etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser der Zn-Schwammelektrode. Besprühen Sie das Lochblech nach dem Biegen in eine gewünschte Form mit Bornitrid-Schmiermittel. - Legen Sie die Baugruppe in einen Rohrofen (67 mm Durchmesser) mit Anschlüssen, um Gas in und aus dem Rohr zu fließen.
HINWEIS: Verwenden Sie einen Anschluss (den Eingangsanschluss), um Gas in den Ofen zu leiten. Verwenden Sie den anderen (den Ausgangsanschluss), um Gas aus dem Rohrofen in einen Abzug abzulassen. - Rohr N2 Gas in den Ofen für 30 min mit einer Geschwindigkeit von 5,7 cm∙min-1, um den Ofen von Luft zu reinigen.
HINWEIS: Schritt 1.13 kann erreicht werden, indem ein Tank mit N2-Gas mit einem digital gesteuerten Durchflussmesser an ein Rohr angeschlossen wird, das mit einem der Eingangsöffnungen verbunden ist. Gasdurchflussmesser können manuell oder von einem Computer gesteuert werden. - Drosseln Sie dasN2-Gas nach der 30-minütigen Spülung auf eine konstante Rate von2,8 cm∙min –1.
- Programmieren Sie den Ofen so, dass die Temperatur linear von 20 auf 369 °C im Laufe von 68 min erhöht wird, halten Sie ihn bei 369 °C für 5 h, steigen Sie linear von 369 auf 584 °C über 105 min an und schalten Sie ihn dann aus.
- Starten Sie das Ofenprogramm, während dasN2-Gas weiter fließt.
- Stoppen Sie manuellden N2-Gasstrom nach dem 5 h Temperaturhalt und leiten Sie die Atemluft bei 2,8 cm∙min–1ein.
HINWEIS: Schritt 1.17 kann erreicht werden, indem ein Tank mit Atemluft (nicht synthetische Luft) mit einem digital gesteuerten Durchflussmesser an ein Rohr angeschlossen wird, das mit einem zusätzlichen Eingangsanschluss verbunden ist. - Sobald das Heizprogramm aufhört, lassen Sie den Ofen ohne aktive Kühlung auf Raumtemperatur abkühlen, aber halten Sie die Atemluft fließen.
- Entfernen Sie die abgekühlten Zn-Schwämme und sägen Sie sie und/oder schleifen Sie sie auf die gewünschten Maße.
HINWEIS: Eine Vielzahl von Sägewerkzeugen kann verwendet werden, z. B. Handdrehsägen oder vertikale Bandsägen. Abrasive oder Diamantklingen sind geeignet.
2. Eine wässrige Methode zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden
- Fügen Sie 10,5 ml entionisiertes Wasser zu einem 100-ml-Glasbecher hinzu.
- 0,120 ± 0,001 g wasserlösliches hochviskoses Cellulosegummi, auch bekannt als Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz, einrühren.
HINWEIS: Verwenden Sie kunststoff- oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge. Das Rühren mit Werkzeugen mit metallischer Oberfläche kann sich nachteilig auf die resultierenden Zn-Schwämme auswirken. - Wirbeln Sie diese Mischung vor und rühren Sie diese Mischung von Hand für 5 min oder bis das CMC gelöst ist.
- 2.400 ± 0,001 g Maisstärke unter Vortexing für weitere 2 min unterrühren.
- 120,00 ± 0,01 g Zn-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße von 50 μm, 307 ppm Wismut und 307 ppm Indium zur Korrosionsunterdrückung) während des Wirbels für weitere 2 min unterrühren.
- Drücken Sie die resultierende Zn-Paste in die gewünschten Formhohlräume.
HINWEIS: Formgröße und -form können variieren. Frühere Experimente6 verwenden erfolgreich zylindrische Formen mit Durchmessern nahe 10 mm. Füllen Sie die Zn-Paste bis zu einer Höhe von 50 mm oder weniger. Die wässrige Zn-Paste ist trockener als die Emulsions-Zn-Paste, so dass die wässrige Version verwendet werden kann, um größere Schwämme herzustellen, die weniger Trocknungszeit benötigen. Je kürzer die Höhe, desto kürzer die erforderliche Trocknungszeit. Die Form muss sich in zwei Hälften teilen können, da sich die wässrige Zn-Paste nach dem Trocknen im Gegensatz zur Emulsions-Zn-Paste minimal zusammenzieht. Ungesalzene Butter kann verwendet werden, um die Formen vor dem Pressen in die wässrige Zn-Paste zu schmieren, um die Entformung zu unterstützen. Abbildung 1A zeigt die kundenspezifisch bearbeiteten Formen, die mit Zn-Paste nach dem wässrigen Protokoll verpackt sind. Abbildung 1B zeigt das handgefertigte Netzgehäuse, den gekerbten Aluminiumoxidhalter und den resultierenden Zn-Schwamm, der nach der wässrigen Methode hergestellt wurde. - Lassen Sie die mit Zn-Paste gefüllten Formen über Nacht bei 70 °C im Freien in einem Ofen trocknen.
- Befolgen Sie die gleichen Handhabungs- und Wärmebehandlungsschritte (1.11–1.19), die für das emulsionsbasierte Verfahren beschrieben sind.
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Representative Results
Resultierende, vollständig wärmebehandelte, emulsionsbasierte Zn-Schwämme haben Dichten von 2,8 g∙cm–3, während wässrige Schwämme sich 3,3 g∙cm–3 nähern. Beim Erhitzen unter Luft bildet sich auf den Zn-Oberflächen eine Schicht ZnO, die eine Dicke von 0,5–1,0 μm haben sollte (beobachtet mit Rasterelektronenmikroskopie)5. Der Feststoff in den resultierenden Schwämmen sollte 72% Zn (Emulsionsversion) oder 78% Zn (wässrige Version) sein, wobei der Rest ZnO (gemessen durch Röntgenbeugung)6ist. Beide Schwämme sollten Porositäten nahe 50%, Porendurchmesserverteilungen zentriert auf 10 μm und spezifische Oberflächen von 4,0 m2∙g–1 (gemessen mittels Quecksilber-Intrusionsporosimetrie)6aufweisen. Die Zugfestigkeit beider Schwämme sollte 1,1–1,2 MPa (gemessen mit diametraler Kompression)5,6 sein. Wir beachten, dass die Schwämme starr und spröde sein sollten. Die Querschnitte der Zn-Schwämme sollten den in Abbildung 2A,Bdargestellten ähneln. Wenn alle Eigenschaften der hergestellten Schwämme in die angegebenen Bereiche fallen, ist das Ergebnis positiv; Wenn nicht, ist das Ergebnis negativ.
Mit den angegebenen Eigenschaften fahren Zn-Schwämme gut in richtig konstruierten Batterien. Ihre Leistung hängt auch von der Gegenelektrode, dem Elektrolyten, dem Separator und der Zellkonstruktion ab. Der Aufbau zuverlässiger Vollzellen würde den Rahmen dieses Papiers sprengen. Um die elektrochemische Validität von Zn-Schwämmen zu testen, empfehlen wir die Gewinnung kommerzieller Gegenelektroden aus Nickel-Metallhydrid-Batterien5,6. Forme einen Zn-Schwamm mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Zyklus dieses Schwammes bei 20 mA∙cmgeo-2 (geometrische Fläche) für die Entladung und 10 mA∙cmgeo–2 für die Ladung in einer Nickel-Zink-Zelle, wie in der Literatur5beschrieben. Unter der Annahme einer geeigneten Konstruktion sollte die Zn-Schwammelektrode eine Zyklenstabilität bei einer gravimetrischen Kapazität von 328 mA∙h∙gSchwamm-1 (pro Gramm ZnO@Zn-Schwammelektrode) aufweisen, wie in Abbildung 2Cgezeigt, die 43% Entladungstiefe abstellt (der Quotient der gravimetrischen Entladungskapazität in Bezug auf jedes Atom von Zn in der Elektrode dividiert durch die theoretische gravimetrische Kapazität von Zn). Nach ausgedehntem Zyklus werden keine Dendriten durch Rasterelektronenmikroskopie beobachtet (Abbildung 3). Die Röntgenbeugung kann verwendet werden, um den Ladezustand der Zn-Schwammelektrode durch Überwachung der Zn- und ZnO-Reflexionen zu verfolgen1. Wir stellen fest, dass die Oberfläche des Zn-Schwamms während des Radfahrens einer Umstrukturierung unterzogen wird. Je tiefer der Grad der Entladung und je größer die Zykluslebensdauer, desto größer ist der Umfang derUmstrukturierung 5. Diese Faktoren tragen zu dem unterschiedenen Oberflächenmorphologie bei, der in Abbildung 3A,Bdargestellt ist. Wenn diese wiederaufladbare Kapazität erreicht wird, ist das Ergebnis positiv; Wenn nicht, ist das Ergebnis negativ und könnte entweder durch den Zn-Schwamm, eine schlechte Zellkonstruktion oder das Versagen anderer Zellkomponenten verursacht werden.
Abbildung 1: Zinkschwämme vor und nach der Wärmebehandlung mit der wässrigen Methode. (A) Foto von speziell bearbeiteten Formen aus Delrin oder Polyoxymethylen (POM), das vor dem Erhitzen mit Zn-Paste verpackt wird. (B) Foto des handgefertigten Netzgehäuses, des gekerbten Aluminiumoxidhalters und des resultierenden Zn-Schwamms nach der Wärmebehandlung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Zinkschwammmorphologie und elektrochemische Leistung. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen vonZn-Schwamm auf Emulsionsbasis mit Querschnitt und(B)wässrigem Zn-Schwamm auf Basis. (C)Spannung versus Zeit eines emulsionsbasierten Schwamms, der in einer Nickel-Zink-Zelle zyklischt, bei 20 mA∙cmgeo–2 entladen und mit 10 mA∙cmgeo–2 mit einer gravimetrischen Kapazität von 328 mA∙h∙gSchwamm–1geladen wird. Daten angepasst von Hopkins et al.5,6. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Zinkschwammelektroden unterdrücken die Dendritenbildung. Emulsionsbasierter Zn-Schwamm (A) vor und (B) nach elektrochemischem Zyklus. Daten angepasst von Hopkins et al.5. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Zu den Änderungen und fehlerbehebungen im Zusammenhang mit diesen Protokollen gehört das Füllen der frisch gemischten Zn-Paste in einen Formhohlraum. Es sollte darauf geachtet werden, Lufteinschlüsse zu vermeiden. Unerwünschte Hohlräume können durch Klopfen der Form nach dem Befüllen oder beim Befüllen verringert werden. Da die wässrige Zn-Paste trocken ist, kann Druck direkt auf die Zn-Paste ausgeübt werden, um Lufteinschlüsse auszudrücken und gleichzeitig den Formhohlraum zu füllen.
Eine Einschränkung der Methoden besteht darin, dass die Porenstruktur des Zn-Schwamms ungeordnet ist, aber die Partikelgrößen Zn und Porogen können verwendet werden, um die Porenmorphologie zu verändern. Ein geordneterer und potenziell stärkerer und leichterer Zn-Schwamm kann mit additiver Fertigung hergestellt werden. Die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der resultierenden Zn-Schwämme können jedoch durch variierendes Zn-zu-Porogen-Massenverhältnis und die Größe und Form der Zn- und Porogenpartikel5,6abgestimmt werden. Eine weitere mögliche Einschränkung ist, dass die getrocknete Zn-Paste zerbrechlich sein kann, so dass die Übertragung in ein Netzgehäuse eine Herausforderung darstellen und die Zn-Schwammgröße begrenzen kann.
Die Bedeutung dieser Methoden gegenüber bestehenden Methoden besteht darin, dass resultierende Zn-Schwämme eine lange Lebensdauer mit hohen volumetrischen und arealen Kapazitäten erreichen5,6. Resultierende Zn-Schwämme sind auch mechanisch robust5,6.
Zukünftige Anwendungen der Verfahren könnten prinzipiell angepasst werden, um andere Metallschäume für Batterien oder andere Anwendungen herzustellen. Beispielsweise können Eisen-, Magnesium- oder Aluminiumschäume als Anoden für Metall-Luft-Batterien25,26,27nützlich sein. Insbesondere Zn-Schwammelektroden können verwendet werden, um Batterien für eine Reihe von Anwendungen herzustellen, darunter Wearables, Netzspeicher, persönliche Elektronik, Elektrofahrzeuge und elektrische Luftfahrt28.
Ein kritischer Schritt, der auch Änderungen oder Fehlerbehebungen erfordern kann, ist der Erwärmungsprozess. Die Ofentemperaturen können variieren. Die Aufheizzeit unterN2, nahe aber unterhalb des Schmelzpunktes von Zn, glüht die Zn-Partikel zusammen. Die Aufheizzeit unter Luft verbrennt das Restporogen, verschmilzt das Zn und bildet eine ZnO-Schicht. Wenn die Zn-Partikel unsachgemäß zu verschmelzen scheinen, erhöhen Sie die Aufheizzeit unterN2. Wenn die ZnO-Schicht zu dick ist, verringern Sie die Aufheizzeit unter Luft um 10 min oder mehr, bis die gewünschte Dicke des Thermischen Oxids erreicht ist.
Wir stellen fest, dass eine dicke Schicht ZnO die mechanischen Eigenschaften des Zn-Schwamms verbessert, aber auch die sofort nutzbare Kapazität der Zn-Elektrode verringert. Die Zn-Elektrode kann durch elektrochemische Umwandlung von ZnO in metallisches Zn aufgeladen werden. Ein stabiler Zyklus bei 40% Entladetiefe kann jedoch ohne Vorladung erreicht werden5. Ist die ZnO-Schicht zu dünn, kann der Zn-Schwamm beim Handling5zerbröckeln.
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Disclosures
J.F.P., D.R.R. und J.W.L. halten Patente im Zusammenhang mit Zinkelektroden: US-Patente Nr. 9802254, 10008711, 10720635 und 10763500, EU-Patent Nr. 2926395 und China-Patent Nr. 104813521.
Acknowledgments
Diese Forschung wurde vom United States Office of Naval Research finanziert.
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
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