Dendritleri Bastıran Çinko-Sünger Pil Elektrotları
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.
Protocol
Representative Results
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 yapısın…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma Amerika Birleşik Devletleri Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından finanse edildi.
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 |
Referenzen
- 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).
