אלקטרודות סוללת אבץ-ספוג המדכאות דנדריטים
Summary
מטרת הפרוטוקולים המדווחים היא ליצור אלקטרודות נטענות של ספוג אבץ המדכאות דנדריטים ושינוי צורה בסוללות אבץ, כגון ניקל-אבץ או אבץ-אוויר.
Abstract
אנו מדווחים על שתי שיטות ליצירת אלקטרודות ספוג אבץ המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה עבור סוללות אבץ נטענות. שתי השיטות מאופיינות ביצירת משחה העשויה מחלקיקי אבץ, פורוגן אורגני וסוכן משפר צמיגות המחומם תחת גז אינרטי ולאחר מכן אוויר. במהלך החימום מתחת לגז אינרטי, חלקיקי האבץ חישול יחד, ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר, אבץ נתיכים ושיורי אורגניים נשרפים, מניבים קצף מתכת פתוח או ספוג. אנו מכוונים את התכונות המכניות והאלקטוכימיות של ספוגי האבץ על ידי יחס מסה משתנה בין אבץ לפורוגן, זמן חימום תחת גז אינרטי ואוויר, וגודל וצורה של חלקיקי האבץ והפורוגן. יתרון של השיטות המדווחות הוא היכולת שלהם לכוונן היטב את ארכיטקטורת אבץ-ספוג. הגודל והצורה שנבחרו של חלקיקי האבץ והפורוגן משפיעים על המורפולוגיה של מבנה הנקבוביות. מגבלה היא כי ספוגים וכתוצאה מכך יש מבני נקבוביות הפרעה שגורמים כוח מכני נמוך בנפח נמוך שברים של אבץ (<30%). היישומים עבור אלקטרודות ספוג אבץ אלה כוללים סוללות לאחסון רשת, אלקטרוניקה אישית, כלי רכב חשמליים ותעופה חשמלית. משתמשים יכולים לצפות אלקטרודות ספוג אבץ מחזור עד 40% עומק של פריקה בשיעורים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית ויכולות אריאליות ללא היווצרות של דנדריטים חודרי מפריד.
Introduction
מטרת שיטות הייצור המדווחות היא ליצור אלקטרודות ספוג אבץ (Zn) המדכאות היווצרות דנדריט ושינוי צורה. מבחינה היסטורית, בעיות אלה הגבילו את חיי המחזור של סוללות Zn. אלקטרודות ספוג אבץ פתרו בעיות אלה, המאפשר סוללות Zn עם חיי מחזור ארוכים יותר1,2,3,4,5,6. מבנה הספוג מדכא היווצרות dendrite ושינוי צורה כי (1) מסגרת Zn מותך חשמל חוטים את כל הנפח של הספוג; (2) הנקבוביות מחזיקות אבץ ליד פני השטח של ספוג Zn; ו-(3) הספוג יש שטח פנים גבוה שמקטין את צפיפות הזרם המקומית מתחת לערכים שזוהו לנבוט דנדריטים באלקטרוליטים אלקליין7. עם זאת, אם שטח פני הספוג גבוה מדי, קורוזיה משמעותית מתרחשת5. אם נקבוביות הספוג גדולות מדי, הספוג יהיהקיבולתנפחית נמוכה 5 . כמו כן, אם נקבוביות הספוג קטנות מדי, האלקטרודה Zn לא יהיה אלקטרוליט מספיק כדי לגשת Zn במהלך הפריקה, וכתוצאה מכך כוח נמוךוקיבולת 5,6.
הרציונל מאחורי שיטות הייצור המדווחות הוא ליצור ספוגי Zn עם נקבוביות ספוג מתאימות וקוטרי נקבוביות. באופן ניסיוני, אנו מוצאים כי ספוגי Zn עם נקבוביות מ 50 עד 70% וקוטרי נקבוביות ליד מחזור 10 מיקרומטר היטב בסוללות תא מלא ולהציג שיעורי קורוזיה נמוכים5. נציין כי שיטות קיימות לייצור קצף מתכת מסחרית לא מצליחות להשיג מורפולוגיות דומות בקשקשי אורך אלה8, ולכן יש צורך בשיטות הייצור המדווחות.
היתרונות של השיטות המדווחות כאן על פני חלופות מאופיינים בשליטה עדינה על תכונות ספוג ועל ידי היכולת לייצר ספוגי Zn גדולים וצפופים עם ערכים רלוונטיים מבחינה טכנולוגית קיבולת אריאל5,6,9,10. שיטות חלופיות ליצירת קצף Zn עשוי להיות מסוגל ליצור נקבוביות 10 מיקרומטר דומה עם נקבוביות ספוג ליד 50%. חלופות כאלה עשויות, עם זאת, לדרוש פחות אנרגיה כדי לפברק כי הם נמנעים צעדי עיבוד בטמפרטורה גבוהה. תהליכים חלופיים כוללים את האסטרטגיות הבאות: חלקיקי Zn sintering קר11, הפקדת Zn על מבנים מארחים תלת מימדיים12,13,14,15,16,17, חיתוך רדיד Zn לקצף דו מימדי18, ויצירת קצף Zn באמצעות פירוק ספינודל19 או פירוק חלפול20.
ההקשר של השיטות המדווחות בגוף הרחב יותר של הספרות שפורסמה מבוסס בעיקר על ידי עבודה של Drillet ואח’21. הם התאימו שיטות לייצור קרמיקה נקבובית כדי ליצור את אחד מקצפי Zn התלת ממדיים המוקדמים ביותר שדווחו, אם כי שבירים, לסוללות. מחברים אלה, לעומת זאת, לא הצליחו להפגין טעינה, ככל הנראה בגלל הקישוריות הירודה בין חלקיקי Zn. לפני אלקטרודות ספוג Zn נטענות, החלופה הטובה ביותר לאלקטרודה רדיד Zn הייתה אלקטרודה אבקת Zn, שבו אבקת Zn מעורבב עם אלקטרוליט ג’ל. אלקטרודות אבקת אבץ משמשות מסחרית בסוללות אלקליין ראשוניות (Zn-MnO2) אך יש להן טעינה ירודה מכיוון שחלקיקי Zn הופכים לפסיבים על ידי תחמוצת Zn (ZnO), אשר יכול להגדיל את הצפיפות הנוכחית המקומית שמדרבנת צמיחה דנדריט3,22. נציין כי ישנן אסטרטגיות אחרות לדיכוי דנדריט שאינן כרוכות בארכיטקטורות קצף אוספוג 23,24.
שיטות הייצור המדווחות של ספוג Zn דורשות תנור צינור, מקורות של אוויר וגז חנקן (N2),ומכסה אדים. כל השלבים יכולים להתבצע בדלפק מעבדה ללא בקרה סביבתית, אך פליטה מכבשן הצינור במהלך טיפול בחום צריכה להיות מוזרמת למכסה אדים. אלקטרודות וכתוצאה מכך מתאימות למעוניינים ביצירת אלקטרודות Zn נטענות המסוגלות לקיבולת אראלית גבוהה (> 10 mAh ס”מגיאו–2)6.
שיטת הייצור המדווחת הראשונה היא מסלול מבוסס אמולסיה ליצירת אלקטרודות ספוג Zn. השני, הוא מסלול מימי מבוסס. יתרון של נתיב אמולסיה הוא היכולת שלה ליצור הדבק Zn, כי כאשר מיובש, קל להוריד מחלל עובש. חיסרון הוא הסתמכותו על חומרים יקרים. עבור המסלול מימי, preforms ספוג יכול להיות מאתגר כדי demold, אבל תהליך זה משתמש בחומרים זולים בשפע.
שתי השיטות כוללות ערבוב חלקיקי Zn עם חומר פורוגן ושיפור צמיגות. התערובת המתקבלת מחוממת תחת N2 ולאחר מכן לנשום אוויר (לא אוויר סינתטי). במהלך חימום תחת N2, חלקיקי Zn חין ואת הפורוגן מתפרק; תחת אוויר נשימה, חלקיקי Zn מחופים להתמזג והפורוגן נשרף. תהליכים אלה מניבים קצף מתכת או ספוגים. המאפיינים המכניים והאלקטרוכימיים של ספוגי Zn ניתן לכוונן על ידי יחס מסת Zn-to-porogen משתנה, זמן חימום תחת N2 ואוויר, ואת הגודל והצורה של חלקיקי Zn ופורוגן.
Protocol
Representative Results
Discussion
שינויים ופתרון בעיות הקשורים לפרוטוקולים אלה כוללים מילוי הדבק Zn מעורב טרי לתוך חלל עובש. יש להזהירות כדי למנוע כיסי אוויר. חללים לא רצויים ניתן להקטין על ידי הקשה על התבנית לאחר מילוי או בעת מילוי. מכיוון שממרח Zn מימי יבש, ניתן להפעיל לחץ ישירות על משחת Zn כדי לדחוף החוצה את כיסי האוויר בעת ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי משרד המחקר הימי של ארצות הברית.
Materials
| 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. , (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. High-Performance Structural Batteries. Joule. , (2020).
