أقطاب بطارية الزنك والإسفنج التي قمع Dendrites
Summary
والهدف من البروتوكولات المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب كهربائية قابلة لإعادة الشحن من الزنك والإسفنج تقمع التشعبات وتغير الشكل في بطاريات الزنك، مثل النيكل والزنك أو الزنك والهواء.
Abstract
نحن نبلغ عن طريقتين لإنشاء أقطاب الزنك والإسفنج التي تمنع تكوين التشعب وتغيير الشكل لبطاريات الزنك القابلة لإعادة الشحن. وتتميز كلتا الطريقتين من خلال خلق عجينة مصنوعة من جزيئات الزنك، والكاروجين العضوي، وعامل تعزيز اللزوجة التي يتم تسخينها تحت غاز خامل ومن ثم الهواء. أثناء التدفئة تحت الغاز الخامل ، جزيئات الزنك معا ، وتحلل الدروجين ؛ تحت الهواء ، وصمامات الزنك والحروق العضوية المتبقية ، مما أسفر عن رغوة معدنية مفتوحة الخلية أو الإسفنج. نحن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية من الإسفنج الزنك عن طريق نسبة متفاوتة من الزنك إلى هرمون الاستروجين الشامل، ووقت التدفئة تحت الغاز الخامل والهواء، وحجم وشكل جزيئات الزنك والروجين. ميزة من الأساليب المبلغ عنها هي قدرتها على ضبط الهندسة المعمارية الزنك والإسفنج بدقة. يؤثر الحجم والشكل المحددان لجسيمات الزنك والروجين على مورفولوجيا بنية المسام. وهناك قيود على ذلك هو أن الإسفنج الناتج قد اضطراب هياكل المسام التي تؤدي إلى انخفاض القوة الميكانيكية في كسور حجم منخفض من الزنك (<30٪). وتشمل التطبيقات لهذه الأقطاب الزنك الإسفنج بطاريات لتخزين الشبكة، والالكترونيات الشخصية، والمركبات الكهربائية، والطيران الكهربائي. يمكن للمستخدمين توقع أقطاب الزنك والإسفنج لدورة تصل إلى عمق 40٪ من التفريغ بمعدلات ذات الصلة من الناحية التكنولوجية والقدرات الموضعية دون تشكيل dendrites خارقة للفواصل.
Introduction
الغرض من أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب إسفنجية الزنك (Zn) التي تقمع تكوين التشعب وتغيير الشكل. تاريخيا، حدت هذه المشاكل من دورة عمر بطاريات Zn. وقد حلت أقطاب الزنك والإسفنج هذه القضايا، وتمكين بطاريات زين مع حياة أطول دورة1،2،3،4،5،6. هيكل اسفنجة يقمع تشكيل التشعب وتغيير الشكل لأن (1) الإطار تنصهر ZN الأسلاك كهربائيا حجم كامل من الاسفنج. (2) المسام عقد الزنكات بالقرب من سطح Zn-الإسفنج. و (3) الإسفنج لديه مساحة سطح عالية أن يقلل من الكثافة الحالية المحلية تحت القيم المحددة لتنبت dendrites في الشوارد القلوية7. ومع ذلك، إذا كانت مساحة سطح الإسفنج مرتفعة جدا، يحدث تآكل كبير5. إذا كانت المسام الإسفنج كبيرة جدا، فإن الإسفنج لديها قدرة حجمية منخفضة5. أيضا، إذا كانت المسام الإسفنج صغيرة جدا، فإن القطب ZN يكون الكهارل كافية للوصول إلى ZN أثناء التفريغ، مما أدى إلى انخفاض الطاقة والقدرة5،6.
الأساس المنطقي وراء أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء إسفنجات Zn ذات مساميات إسفنجية مناسبة وأقطار مسام. تجريبيا، نجد أن الإسفنج ZN مع المساميات من 50 إلى 70٪ وأقطار المسام بالقرب من دورة 10 ميكرومتر بشكل جيد في بطاريات الخلايا الكاملة وعرض معدلات التآكل منخفضة5. نلاحظ أن الأساليب القائمة لتصنيع الرغاوي المعدنية التجارية تفشل في تحقيق مورفولوجيا مماثلة على هذه المقاييس طول8، لذلك هناك حاجة إلى أساليب التصنيع المبلغ عنها.
وتتميز مزايا الأساليب المبلغ عنها هنا على البدائل من خلال التحكم الدقيق في ميزات الإسفنج والقدرة على تصنيع إسفنجاتZn كبيرة وكثيفة بقيم ذات صلة تكنولوجية ذات قدرة القاعدة5و6و9و10. طرق بديلة لخلق رغاوي زن قد تكون غير قادرة على خلق مماثلة 10 ميكرومتر المسام مع المسام الإسفنج بالقرب من 50٪. غير أن هذه البدائل قد تتطلب طاقة أقل لتصنيعها لأنها تتجنب خطوات المعالجة عالية الحرارة. وتشمل العمليات البديلة الاستراتيجيات التالية: الباردة تلبد جسيمات زن11،إيداع ZN على هياكل المضيف ثلاثي الأبعاد12،13،14،15،16،17،وقطع احباط زين إلى رغاوي ثنائية الأبعاد18،وخلق رغاوي زين عن طريق التحلل سبينودال19 أو انحلال التغلغل20.
يتم تحديد سياق الأساليب المبلغ عنها في الجسم الأوسع للمؤلفات المنشورة في المقام الأول من خلال عمل Drilletوآخرون. وقاموا بتكييف أساليب تصنيع السيراميك المسامي لإنشاء واحدة من أقدم رغاوي Zn ثلاثية الأبعاد المبلغ عنها، وإن كانت هشة، للبطاريات. ومع ذلك، فشل هؤلاء المؤلفون في إثبات قابلية إعادة الشحن، على الأرجح بسبب ضعف الاتصال بين جزيئات Zn. قبل أقطاب Zn-sponge القابلة لإعادة الشحن ، كان أفضل بديل لقطب رقائق Zn هو قطب Zn-powder ، حيث يتم خلط مسحوق Zn مع المنحل بالكهرباء الهلامية. وتستخدم تجاريا أقطاب مسحوق الزنك في البطاريات القلوية الأولية (Zn-MnO2)ولكن لديها ضعف قابلية الشحن لأن جزيئات Zn تصبح مهزوزة بواسطة أكسيد الزنك (ZnO)، والتي يمكن أن تزيد من كثافة التيار المحلي الذي يحفز نمو التشعب3،22. نلاحظ أن هناك استراتيجيات أخرى لقمع التغصن لا تنطوي على رغوة أو الإسفنج العمارات23،24.
تتطلب طرق تصنيع Zn-sponge المبلغ عنها فرن أنبوب ، ومصادر للهواء وغاز النيتروجين (N2)، وغطاء دخان. يمكن تنفيذ جميع الخطوات في مكتب المختبر دون مراقبة بيئية ، ولكن يجب توصيل العادم من فرن الأنبوب أثناء المعالجة الحرارية بغطاء الدخان. الأقطاب الكهربائية الناتجة هي مناسبة للمهتمين في خلق أقطاب ZN القابلة لإعادة الشحن قادرة على قدرة عالية (> 10 مللي أمبير في الساعةجيوسم -2)6.
أول طريقة تصنيع المبلغ عنها هو مسار القائم على مستحلب لإنشاء أقطاب Zn-الإسفنج. والثاني هو طريق مائي. ميزة الطريق مستحلب هو قدرته على خلق عجينة Zn التي، عندما المجففة، من السهل أن demold من تجويف العفن. العيب هو اعتمادها على المواد باهظة الثمن. بالنسبة للطريق المائي ، يمكن أن تكون الأشكال المسبقة للإسفنج صعبة للإزالة ، ولكن هذه العملية تستخدم مواد غير مكلفة ووفيرة.
كلا الأسلوبين تنطوي على خلط جزيئات Zn مع عامل تعزيز اللزوجة واللزوجة. يتم تسخين الخليط الناتج تحت N2 ثم تنفس الهواء (وليس الهواء الاصطناعي). أثناء التدفئة تحت N2، تتحلل جزيئات Zn الصلبة والporogen ؛ تحت الهواء التنفس، جزيئات Zn المصاهر الصمامات والحروق روجين بها. هذه العمليات تسفر عن رغاوي معدنية أو الإسفنج. يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية للإسفنج Zn من خلال نسبة كتلة Zn-to-porogen المختلفة ، ووقت التدفئة تحت N2 والهواء ، وحجم وشكل جزيئات Zn وporogen.
Protocol
Representative Results
Discussion
تتضمن التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها المرتبطة بهذه البروتوكولات ملء عجينة Zn المختلطة حديثا في تجويف العفن. يجب توخي الحذر لتجنب جيوب الهواء. يمكن تقليل الفراغات غير المرغوب فيها عن طريق النقر على القالب بعد التعبئة أو أثناء التعبئة. لأن عجينة Zn المائية جافة ، يمكن تطبيق الضغط مباشرة…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد مول هذا البحث مكتب البحوث البحرية في الولايات المتحدة.
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 |
Referencias
- 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).
