जिंक-स्पंज बैटरी इलेक्ट्रोड जो डेंड्राइट्स को दबाते हैं
Summary
रिपोर्ट किए गए प्रोटोकॉल का लक्ष्य रिचार्जेबल जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाना है जो डेंड्राइट्स को दबाते हैं और जिंक बैटरी में बदलाव को आकार देते हैं, जैसे निकेल-जिंक या जिंक-एयर ।
Abstract
हम जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए दो तरीकों की रिपोर्ट करते हैं जो रिचार्जेबल जिंक बैटरी के लिए डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबाते हैं। दोनों तरीकों में जिंक कणों, कार्बनिक पोर्गेन और चिपचिपाहट बढ़ाने वाले एजेंट से बना पेस्ट बनाने की विशेषता है जिसे एक निष्क्रिय गैस और फिर हवा के नीचे गर्म किया जाता है। निष्क्रिय गैस के नीचे हीटिंग के दौरान, जिंक के कण एक साथ एनील करते हैं, और पोरोजन विघटित हो जाते हैं; हवा के नीचे, जस्ता फ़्यूज़ और अवशिष्ट कार्बनिक जलता है, एक खुली सेल धातु फोम या स्पंज उपज । हम जिंक स्पंज के यांत्रिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को अलग-अलग जिंक-टू-पोरोजेन द्रव्यमान अनुपात, निष्क्रिय गैस और हवा के तहत समय गर्म करने और जिंक और पोरोजेन कणों के आकार और आकार से ट्यून करते हैं। रिपोर्ट किए गए तरीकों का एक लाभ जिंक-स्पंज वास्तुकला को बारीक ट्यून करने की उनकी क्षमता है। जिंक और पोरोजेन कणों का चयनित आकार और आकार पोर संरचना की आकृति विज्ञान को प्रभावित करता है। एक सीमा यह है कि जिसके परिणामस्वरूप स्पंज में पोर संरचनाएं अव्यवस्थित होती हैं जिसके परिणामस्वरूप जिंक (<30%) के कम मात्रा के अंशों पर कम यांत्रिक शक्ति होती है। इन जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड के लिए आवेदन ग्रिड भंडारण, व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहनों, और इलेक्ट्रिक विमानन के लिए बैटरी शामिल हैं । उपयोगकर्ता जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड को सेपरेटर-भेदी डेनड्राइट्स के गठन के बिना तकनीकी रूप से प्रासंगिक दरों और अरियल क्षमताओं पर निर्वहन की 40% गहराई तक चक्र की उम्मीद कर सकते हैं।
Introduction
रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों का उद्देश्य जिंक (जेडएन) स्पंज इलेक्ट्रोड बनाना है जो डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबाते हैं। ऐतिहासिक रूप से, इन समस्याओं ने जेडएन बैटरी के चक्र जीवन को सीमित कर दिया है। जिंक-स्पंज इलेक्ट्रोड ने इन मुद्दों को हल किया है, जिससे जेडएन बैटरी को लंबे चक्र वालेजीवन 1,2,3,4,5, 6में सक्षमबनायागयाहै। स्पंज संरचना डेंड्राइट गठन और आकार परिवर्तन को दबा देती है क्योंकि (1) फ्यूज्ड जेडएन फ्रेमवर्क विद्युत रूप से स्पंज की पूरी मात्रा को तारों; (2) छिद्र Zn-स्पंज सतह के पास जस्ता पकड़; और (3) स्पंज एक उच्च सतह क्षेत्र है कि क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स 7 में dendrites अंकुरित करने के लिए पहचान मूल्यों सेनीचेस्थानीय वर्तमान घनत्व कम हो जाती है . हालांकि, यदि स्पंज सतह क्षेत्र बहुत अधिक है, तो पर्याप्त जंग5होती है। यदि स्पंज छिद्र बहुत बड़े हैं, तो स्पंज की मात्रा कम होगी5। इसके अलावा, यदि स्पंज छिद्र बहुत छोटे हैं, तो जेडएन इलेक्ट्रोड में डिस्चार्ज के दौरान जेडएन तक पहुंचने के लिए अपर्याप्त इलेक्ट्रोलाइट होगा, जिसके परिणामस्वरूप कम शक्ति और क्षमता5,6होगी।
रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों के पीछे तर्क उचित स्पंज पोरोसिटी और पोर व्यास के साथ ज़ेन स्पंज बनाना है। प्रायोगिक रूप से, हम पाते हैं कि जेडएन 50 से 70% तक पोरोसिटीज के साथ स्पंज और पूर्ण सेल बैटरी में 10 माइक्रोन चक्र के पास पोर व्यास और कम जंग दर5प्रदर्शित करता है। हम ध्यान दें कि वाणिज्यिक धातु फोम के निर्माण के लिए मौजूदा तरीके इन लंबाई तराजू8पर समान मॉर्फोलोजी प्राप्त करने में विफल रहते हैं, इसलिए रिपोर्ट किए गए निर्माण विधियों की आवश्यकता होती है।
विकल्पों पर यहां रिपोर्ट किए गए तरीकों के फायदे स्पंज सुविधाओं के ठीक नियंत्रण और तकनीकी रूप से प्रासंगिक areal-क्षमता मूल्यों5,6,9,10के साथ बड़े, घने जेडएन स्पंज बनाने की क्षमता से विशेषता है। Zn फोम बनाने के लिए वैकल्पिक तरीके 50% के पास स्पंज छिद्रों के साथ तुलनीय 10 माइक्रोन छिद्र बनाने में असमर्थ हो सकते हैं। हालांकि, इस तरह के विकल्पों को बनाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता हो सकती है क्योंकि वे उच्च तापमान प्रसंस्करण चरणों से बचते हैं। वैकल्पिक प्रक्रियाओं में निम्नलिखित रणनीतियां शामिल हैं: ठंडे सिंटरिंग जेडएन कण11,त्रि-आयामी मेजबान संरचनाओं पर जेडएन जमा करना12,13,14,15,16,17,ज़ेन फॉयल को दो-आयामी फोम 18 में काटना, और स्पि नोडल डिकोपोजिशन19या प्रतिसंवर्तन विघटन20के माध्यम से Zn फोम बनाना।
प्रकाशित साहित्य के व्यापक निकाय में रिपोर्ट किए गए तरीकों का संदर्भ मुख्य रूप से ड्रिलेट एट अल21से काम करके स्थापित किया गया है । उन्होंने शुरुआती रिपोर्ट किए गए त्रि-आयामी में से एक बनाने के लिए असुरक्षित सिरेमिक बनाने के तरीकों को अनुकूलित किया, हालांकि नाजुक, बैटरी के लिए Zn फोम। हालांकि, ये लेखक जेडएन कणों के बीच खराब कनेक्टिविटी के कारण रिचार्जेबिलिटी प्रदर्शित करने में विफल रहे । रिचार्जेबल जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड से पहले, जेडएन फॉइल इलेक्ट्रोड का सबसे अच्छा विकल्प जेडएन-पाउडर इलेक्ट्रोड था, जिसमें जेडएन पाउडर को जेल इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिलाया जाता है। जिंक-पाउडर इलेक्ट्रोड का व्यावसायिक रूप से प्राथमिक क्षारीय बैटरी (जेडएन-एमएनओ2)में उपयोग किया जाता है, लेकिन इसमें खराब रिचार्जेबिलिटी होती है क्योंकि जेडएन कण ज़एन ऑक्साइड (जेडएनओ) द्वारा निष्क्रिय हो जाते हैं, जो स्थानीय वर्तमान घनत्व को बढ़ा सकते हैं जो डेंड्राइट विकास3,22को बढ़ाता है। हम ध्यान दें कि अन्य डेंड्राइट-दमन रणनीतियां हैं जिनमें फोम या स्पंज आर्किटेक्चर23,24शामिल नहीं हैं।
रिपोर्ट Zn-स्पंज निर्माण विधियों एक ट्यूब भट्ठी, हवा और नाइट्रोजन गैस (एन2)के स्रोतों, और एक धुएं हुड की आवश्यकता होती है । सभी चरणों को पर्यावरण नियंत्रण के बिना एक प्रयोगशाला डेस्क पर किया जा सकता है, लेकिन गर्मी उपचार के दौरान ट्यूब फर्नेस से निकास को धूम हुड तक पहुंचाया जाना चाहिए। परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड उच्च areal क्षमता (> 10 mAh सेमीजियो-2) 6में सक्षम रिचार्जेबल Znइलेक्ट्रोड बनाने में रुचि रखने वालों के लिए उपयुक्त हैं ।
पहली रिपोर्ट की गई निर्माण विधि जेडएन-स्पंज इलेक्ट्रोड बनाने के लिए एक पायस-आधारित मार्ग है। दूसरा, एक जलीय आधारित मार्ग है । पायस मार्ग का एक लाभ जेड पेस्ट बनाने की क्षमता है, जब सूख जाता है, तो मोल्ड गुहा से डेमोड करना आसान होता है। एक नुकसान महंगी सामग्री पर अपनी निर्भरता है । जलीय मार्ग के लिए, स्पंज प्रीफॉर्म डेमोल्ड करने के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकते हैं, लेकिन यह प्रक्रिया सस्ती और प्रचुर मात्रा में सामग्रियों का उपयोग करती है।
दोनों तरीकों में एक पोरोजेन और चिपचिपाहट बढ़ाने वाले एजेंट के साथ Zn कणों को मिलाना शामिल है। परिणामस्वरूप मिश्रण एन 2 के तहत गर्म कियाजाता है और फिर हवा में सांस लेने (सिंथेटिक हवा नहीं) । एन2के तहत हीटिंग के दौरान, ज़ेन कण एनील और पोरोजेन विघटित होते हैं; श्वास हवा के नीचे, एनील्ड जेडएन कण फ्यूज होते हैं और पोर्गेन जलता है। इन प्रक्रियाओं से धातु के फोम या स्पंज निकलते हैं। जेडएन स्पंज के यांत्रिक और इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों को अलग-अलग जेडएन-टू-पोरोजन द्रव्यमान अनुपात, एन2 और हवा के तहत समय गर्म करने और जेडएन और पोर्गेन कणों के आकार और आकार से ट्यून किया जा सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इन प्रोटोकॉल से जुड़े संशोधनों और समस्या निवारण में ताजा मिश्रित जेडएन पेस्ट को मोल्ड गुहा में भरना शामिल है। हवा की जेब से बचने के लिए सावधानी बरतनी चाहिए। भरने के बाद या भरने के बाद मोल्ड को टैप करके ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को यूनाइटेड स्टेट्स ऑफिस ऑफ नेवल रिसर्च द्वारा वित्त पोषित किया गया था ।
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 |
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