デンドライトを抑制する亜鉛スポンジ電池電極
Summary
報告されたプロトコルの目的は、ニッケル亜鉛や亜鉛空気などの亜鉛電池の樹状突起や形状変化を抑制する再充電可能な亜鉛スポンジ電極を作成することです。
Abstract
デンドライト形成を抑制する亜鉛スポンジ電極の作成方法と、再充電可能な亜鉛電池の形状変化を報告する。いずれの方法も、亜鉛粒子、有機ポロゲン、粘度増強剤で作られたペーストを作り、不活性ガスと空気で加熱することを特徴としています。不活性ガス下での加熱時には、亜鉛粒子が一緒にアニーリングし、ポロゲンが分解します。空気の下では、亜鉛のヒューズと残留有機が燃え尽き、開いた細胞の金属フォームまたはスポンジを生み出します。亜鉛とポロゲン質量比、不活性ガスと空気の加熱時間、亜鉛粒子とポロゲン粒子の大きさと形状を変化させることにより、亜鉛スポンジの機械的および電気化学的特性を調整します。報告された方法の利点は、亜鉛スポンジアーキテクチャを細かく調整する能力です。選択した亜鉛粒子とポロゲン粒子のサイズと形状は、細孔構造の形態に影響を与えます。制限は、得られたスポンジが亜鉛の低体積分率(<30%)で低い機械的強度をもたらす無秩序な細孔構造を有していることである。これらの亜鉛スポンジ電極の用途には、グリッドストレージ用の電池、パーソナルエレクトロニクス、電気自動車、電気航空などがあります。ユーザーは、ジンクスポンジ電極がセパレータピアスデンドライトの形成なしに、技術的に関連する速度と非現実的な容量で最大40%の排出深度をサイクルすることが期待できます。
Introduction
報告された製造方法の目的は、デンドライトの形成および形状変化を抑制する亜鉛(Zn)スポンジ電極を作成することである。歴史的に、これらの問題はZn電池のサイクル寿命を制限してきました。亜鉛スポンジ電極は、これらの問題を解決し、長いサイクルの生命を持つZn電池を可能にしました1,2,3,4,5,6.スポンジ構造は、(1)融合されたZnフレームワークがスポンジの全容を電気的に配線するため、樹状突起の形成と形状変化を抑制する。(2)孔はZnスポンジ表面の近くに亜鉛を保持します。(3)スポンジは、アルカリ性電解質7中の樹状突起に同定された値以下の局所電流密度を減少させる高い表面積を有する。しかし、スポンジ表面積が高すぎると、実質的な腐食が5に生じる。スポンジの細孔が大きすぎる場合、スポンジは、低体積容量5を有する。また、スポンジの細孔が小さすぎると、放電中にZnにアクセスするのには、Zn電極が不十分な電解質が得られ、低電力および容量5,6が生じる。
報告された製造方法の背後にある根拠は、適切なスポンジの多孔質および細孔径を有するZnスポンジを作成することである。実験的に、50~70%の多孔質を有するZnスポンジと、10μm近くの孔径がフルセル電池で十分にサイクルし、低い腐食率を示す5を見つけた。我々は、市販の金属フォームを製造する既存の方法は、これらの長さスケール8で同様の形態を達成することができないので、報告された製造方法が必要であることに注意してください。
代替案上でここで報告される方法の利点は、スポンジの特徴の細かい制御と技術的に関連する非現実的容量値5、6、9、10を持つ大きく、密なZnスポンジを製造する能力によって特徴付けられる。Znフォームを作成する別の方法では、50%近くスポンジの多孔質を持つ同等の10 μmの細孔を作成することができない場合があります。しかし、このような代替手段は、高温処理ステップを避けるため、製造に必要なエネルギーが少なくなる可能性があります。代替プロセスは、以下の戦略を含む:冷間焼成Zn粒子11、3次元ホスト構造12、13、14、15、16、17上にZnを堆積させ、Zn箔を2次元フォーム18に切断し、スピノーダル分解19またはパーコレーション溶解20を介してZn発泡体を作成する。
出版された文献のより広い体における報告された方法の文脈は、主にDrilletらの研究によって確立される。彼らは多孔質セラミックスを製造する方法を適応し、電池用の脆弱なZnフォームにもかかわらず、最も初期に報告された3次元の1つを作成しました。しかし、これらの著者は、Zn粒子間の接続性が悪いため、再充電性を実証できなかった。再充電可能なZnスポンジ電極に先立ち、Zn箔電極に代わる最良の代替手段はZn粉末電極であり、そこでZn粉末がゲル電解質と混合された。亜鉛粉末電極は、一次アルカリ電池(Zn–MnO2)で市販されているが、Zn粒子がZn酸化物(ZnO)によって過動化するため、再充電性が悪く、樹状突起の成長に拍車をかける局所電流密度を増加させることができる3,22。我々は、発泡体やスポンジアーキテクチャ23、24を含まない他の樹状突起抑制戦略があることに注意してください。
報告されたZnスポンジの製造方法には、チューブ炉、空気と窒素ガスの供給源(N2)、およびヒュームフードが必要です。すべてのステップは環境制御なしで実験室の机で行うことができるが熱処理の間に管の炉からの排気は煙のフードに渡されるべきである。得られた電極は、高い高いareal容量(>10 mAh cmgeo–2)の可能性のある充電式Zn電極を作成することに興味がある人に適しています。
最初に報告された製造方法は、Zn-スポンジ電極を作成するためのエマルジョンベースのルートです。2 つ目は水性ベースのルートです。エマルジョン経路の利点は、Znペーストを作成する能力であり、乾燥すると、金型キャビティからデボルドしやすい。欠点は、高価な材料への依存です。水の経路のために、スポンジのプリフォームは、デボルドに挑戦することができますが、このプロセスは、安価で豊富な材料を使用しています。
いずれの方法も、Zn粒子と、多孔質および粘度増強剤を混合することを含む。得られた混合物をN2下で加熱し、次いで空気を呼吸する(合成空気ではない)。N2下での加熱時に、Zn粒子のアニールとポロゲンが分解します。呼吸する空気の下で、アニールされたZn粒子が融合し、ポロゲンが燃え尽きる。これらのプロセスは、金属の泡やスポンジを生成します。Znスポンジの機械的および電気化学的特性は、Zn-対ポロゲン質量比、空気下の加熱時間、Znおよび多孔質粒子のサイズと形状を変化させることによって調整することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
これらのプロトコルに関連する変更およびトラブルシューティングには、新しく混合されたZnペーストを金型キャビティに充填する必要があります。エアポケットを避けるために注意する必要があります。充填後または充填中に金型をタップすることで、不要なボイドを減らすことができます。水性Znペーストは乾燥しているため、Znペーストに直接圧力をかけ、金型キャビティを満タンにし?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米国海軍研究局によって資金提供されました。
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
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