Summary
Bildirilen protokollerin amacı, nikel-çinko veya çinko-hava gibi çinko pillerdeki dendritleri ve şekil değişimini baskılayan şarj edilebilir çinko-sünger elektrotlar oluşturmaktır.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Zn-sünger elektrotları oluşturmak için emülsiyon tabanlı bir yöntem
- 100 mL cam kabına 2.054 mL deiyonize su ekleyin.
- Behere 4.565 mL dekane ekleyin.
- Çözünene kadar 0.1000 ± 0.0003 g sodyum dodecyl sülfat (SDS) karıştırın.
- 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. - 0.844 ± 0.002 g suda çözünmeyen preswollen karboksimetil selüloz reçine karıştırın.
NOT: Bu tür suda çözünmeyen reçine pahalıdır (USD 420 kg–1)6. - Plastik kürekle donatılmış bir havai kürek karıştırıcı kullanarak bu karışımı 1.000 rpm'de 5 dakika karıştırın.
- 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.
- Zn macunu aynı hızda 5 dakika daha karıştırmaya devam edin, 1.000 rpm.
- Karıştırıcıyı durdurun, kabı çıkarın ve kabı ve içeriğini oda sıcaklığında bir kurutucuya 5 dakika vakumun altına yerleştirerek karışımı söndür.
- 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. - 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. - 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. - 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. - 30 dakikalık tasfiyeden sonraN 2 gazını 2,8 cm/dk–1 sabit bir hıza kısın.
- 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.
- N2 gazı akmaya devam ederken fırın programını başlatın.
- 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. - Isıtma programı durduktan sonra, fırını aktif soğutma olmadan oda sıcaklığına soğumaya bırakın, ancak solunum havasını akmaya devam edin.
- 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.
2. Zn-sünger elektrotları oluşturmak için sulu tabanlı bir yöntem
- 100 mL'lik cam bir kabın içine 10,5 mL deiyonize su ekleyin.
- 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. - Girdap ve 5 dakika boyunca veya CMC çözülene kadar bu karışımı elle karıştırın.
- 2.400 ± 0.001 g mısır nişastası karıştırın ve 2 dakika daha girdaplanın.
- 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.
- 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. - Zn macunu dolu kalıpları bir fırında açık havada 70 °C'de bir gecede kurumaya bırakın.
- Emülsiyon bazlı yöntem için açıklanan aynı elleçleme ve ısıtma adımlarını (1.11–1.19) izleyin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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. Her iki sünger de %50'ye yakın gözenekliliğe, 10 μm merkezli gözenek çapı dağılımlarına ve 4,0 m2⭐g–1 (cıva-izinsiz giriş porosimetry ile ölçülür)6özel yüzey alanlarına sahip olmalıdır. Her iki süngerin de çekme mukavemeti 1.1–1.2 MPa (diametral sıkıştırma ile ölçülür)5,6olmalıdır. Süngerlerin sert ve kırılgan olması gerektiğini not ediyoruz. Zn süngerlerinin kesitleri Şekil 2A,B'degösterilenlere benzer görünmelidir. Fabrikasyon süngerlerin tüm özellikleri sağlanan aralıklara girerse, sonuç pozitiftir; değilse, sonuç negatiftir.
Belirtilen özelliklerle, Zn süngerleri düzgün inşa edilmiş pillerde iyi bir şekilde döngüye sahiptir. Performansları ayrıca karşı elektrot, elektrolit, ayırıcı ve hücre yapısına bağlıdır; güvenilir tam hücrelerin inşası bu makalenin kapsamı dışındadır. Zn süngerlerinin elektrokimyasal geçerliliğini test etmek için nikel-metal hidrit pillerden ticari karşı elektrotların hasatını öneririz5,6. 10 mm çapında ve 0,5 mm kalınlıkda bir Zn-sünger şekillendirin. Bu süngeri deşarj için 20 mA⭐cmgeo–2 (geometrik alan) ve literatürde açıklandığı gibi nikel-çinko hücresinde şarj için 10 mA⭐cmgeo–2'de döngüye alın5. Uygun yapılaşmayı varsayarsak, Zn-sünger elektrodu, Şekil 2C'degösterildiği gibi 328 mA¹ h¹ gsünger-1 (ZnO@Zn-sünger elektrot gramı başına) gravimetrik kapasitede bisiklet stabilitesi göstermelidir , bu da% 43 deşarj derinliğine eşler (Zn'nin teorik gravimetrik kapasitesine bölünen elektrottaki her Zn atomu ile ilgili gravimetrik deşarj kapasitesi bölümü). Kapsamlı bisiklete binme sonrasında elektron mikroskopisi taranarak dendrit gözlenmiyor (Şekil 3). X-ışını kırınımı, Zn ve ZnO yansımalarını izleyerek Zn-sünger elektrotunun şarj durumunu izlemek için kullanılabilir1. Zn süngerinin yüzeyinin bisiklete bindiriliyorken yeniden yapılandırılır. Deşarj seviyesi ne kadar derin olursa ve döngü ömrü ne kadar büyük olursa, yeniden yapılandırma miktarı o kadar fazla olur5. Bu faktörler Şekil 3A,B'degösterilen yüzey morfolojisi farkına katkıda bulunur. Bu şarj edilebilir kapasite elde edilirse, sonuç pozitiftir; değilse, sonuç negatiftir ve Zn süngeri, zayıf hücre yapısı veya diğer hücre bileşenlerinin arızalanması nedeniyle olabilir.
Şekil 1: Sulu bazlı yöntem kullanılarak ısıtımı öncesi ve sonrası çinko süngerler. (A) Isıtmadan önce Zn macunu ile paketlenmiş Delrin veya polioksimetilenden (POM) yapılan özel işlenmiş kalıpların fotoğrafı. (B) El yapımı örgü muhafaza, çentikli alümina tutucu ve ısıl işlemden sonra elde edilen Zn süngerinin fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Çinko-sünger morfolojisi ve elektrokimyasal performans. Kesitli (A) emülsiyon bazlı Zn süngeri ve (B) sulu tabanlı Zn süngerinin elektron mikrografilerinin taranır. (C) 20 mA8 mA8 mA⭐h)-g sünger –1 gravimetrik kapasitesi ile 10 mA⭐cmgeo–2'de şarj edilen nikel-çinko hücresinde döngüye alınan emülsiyon bazlıbir süngerinvoltajsüresinekarşı. Hopkins ve ark.5,6'dan uyarlanan veriler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Çinko-sünger elektrotlar dendrit oluşumunu baskılar. Emülsiyon bazlı Zn süngeri (A) önce ve (B) elektrokimyasal bisiklete binmeden sonra. Hopkins ve ark.5'tenuyarlanan veriler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 porojen parçacık boyutları gözenek morfolojisini değiştirmek için kullanılabilir. Daha düzenli ve potansiyel olarak daha güçlü ve daha hafif bir Zn süngeri, eklemeli üretim kullanılarak üretilebilir. Bununla birlikte, elde edilen Zn süngerlerinin mekanik ve elektrokimyasal özellikleri, değişen Zn-porojen kütle oranı ve Zn ve porojen parçacıklarının boyutu ve şekli ile ayarlanabilir5,6. Bir diğer potansiyel sınırlama, kurutulmuş Zn macunun kırılgan olabileceğidir, bu nedenle bir ağ kasasına aktarmak zor olabilir ve Zn-sünger boyutunu sınırlayabilir.
Bu yöntemlerin mevcut yöntemlere göre önemi, ortaya çıkan Zn süngerlerinin yüksek hacimsel ve areal kapasitelerle uzun çevrim ömrü elde etmesidir5,6. Elde eden Zn süngerleri de mekanik olaraksağlamdır 5,6.
Proseslerin gelecekteki uygulamaları, prensip olarak piller veya diğer uygulamalar için başka metal köpükler oluşturmak üzere uyarlanabilir. Örneğin, demir, magnezyum veya alüminyum köpükler metal hava pilleri25 , 26,27için anot olarak yararlı olabilir. Özellikle Zn-sünger elektrotlar, giyilebilir cihazlar, ızgara depolama, kişisel elektronik, elektrikli araçlar ve elektrikli havacılık28dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için piller oluşturmak için kullanılabilir.
Modifikasyon veya sorun giderme gerektirebilecek kritik bir adım, ısıtma işlemidir. Fırın sıcaklıkları değişebilir. N2altındaki ısıtma süresi , Zn'nin erime noktasının yakınında veya altında, Zn parçacıklarını birbirine tavlar. Hava altındaki ısıtma süresi artık porojeni yakar, Zn'yi kaynaştırır ve bir ZnO tabakası oluşturur. Zn parçacıkları yanlış kaynaşıyor gibi görünüyorsa, N2altında ısıtma süresini artırın. ZnO tabakası çok kalınsa, istenen termal oksit kalınlığı elde edilene kadar hava altındaki ısıtma süresini 10 dakika veya daha fazla azaltın.
Kalın bir ZnO tabakasının Zn süngerinin mekanik özelliklerini artırdığını, aynı zamanda Zn elektrodunun hemen kullanım kapasitesini azalttığını not ediyoruz. Zn elektrodu, ZnO'yu metalik Zn'ye elektrokimyasal olarak dönüştürerek şarj edilebilir. Bununla birlikte, herhangi bir ön ücret ödemeden% 40 deşarj derinliğinde istikrarlı bisiklete binebilir5. ZnO tabakası çok inceyse, Zn süngeri kullanım sırasında parçalanabilir5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
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.
Acknowledgments
Bu araştırma Amerika Birleşik Devletleri Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından finanse edildi.
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.
