Zink-Spons batterij elektroden die dendrieten onderdrukken
Summary
Het doel van de gerapporteerde protocollen is om oplaadbare zinksponselektroden te maken die dendrieten en vormverandering in zinkbatterijen, zoals nikkel-zink of zink-lucht, onderdrukken.
Abstract
We rapporteren twee methoden om zinksponselektroden te maken die de dendrietvorming en vormverandering voor oplaadbare zinkbatterijen onderdrukken. Beide methoden worden gekenmerkt door het creëren van een pasta gemaakt van zinkdeeltjes, organisch porogen en viscositeitsverhogend middel dat wordt verwarmd onder een inert gas en vervolgens lucht. Tijdens het verwarmen onder het inerte gas gloeien de zinkdeeltjes samen en ontleedt het porogen; onder de lucht fuseert het zink en brandt het resterende organische uit, wat een opencellig metaalschuim of spons oplevert. We stemmen de mechanische en elektrochemische eigenschappen van de zinksponzen af door verschillende zink-porogene massaverhouding, verwarmingstijd onder inert gas en lucht, en grootte en vorm van de zink- en porogendeeltjes. Een voordeel van de gerapporteerde methoden is hun vermogen om de zinksponsarchitectuur nauwkeurig af te stemmen. De geselecteerde grootte en vorm van de zink- en porogene deeltjes beïnvloeden de morfologie van de poriestructuur. Een beperking is dat resulterende sponzen verstoorde poriestructuren hebben die resulteren in een lage mechanische sterkte bij fracties van zink met een laag volume (<30%). Toepassingen voor deze zinksponselektroden zijn batterijen voor netopslag, persoonlijke elektronica, elektrische voertuigen en elektrische luchtvaart. Gebruikers kunnen verwachten dat zinksponselektroden tot 40% ontladingsdiepte fietsen met technologisch relevante snelheden en areale capaciteiten zonder de vorming van separator-piercing dendrieten.
Introduction
Het doel van de gerapporteerde fabricagemethoden is om zink (Zn) sponselektroden te maken die dendrietvorming en vormverandering onderdrukken. Historisch gezien hebben deze problemen de levensduur van Zn-batterijen beperkt. Zink-spons elektroden hebben deze problemen opgelost, waardoor Zn batterijen met een langere cyclus leven1,2,3,4,5,6. De sponsstructuur onderdrukt dendrietvorming en vormverandering omdat (1) het gesmolten Zn-raamwerk het hele volume van de spons elektrisch verbindt; (2) de poriën houden zincate in de buurt van het Zn-sponsoppervlak; en (3) de spons heeft een hoog oppervlak dat de lokale stroomdichtheid vermindert onder de waarden die zijn geïdentificeerd om dendrieten in alkalische elektrolyten te ontkiemen7. Als het sponsoppervlak echter te hoog is, treedt aanzienlijke corrosie op5. Als de sponsporiën te groot zijn, heeft de spons een lage volumetrische capaciteit5. Ook, als de sponsporiën te klein zijn, zal de Zn-elektrode onvoldoende elektrolyt hebben om toegang te krijgen tot Zn tijdens het ontladen, wat resulteert in een laag vermogen en capaciteit5,6.
De redenering achter de gerapporteerde fabricagemethoden is om Zn-sponzen te maken met de juiste sponsporositeiten en poriediameters. Experimenteel vinden we dat Zn-sponzen met porositeiten van 50 tot 70% en poriediameters in de buurt van 10 μm goed in volcellige batterijen zitten en lage corrosiesnelheden vertonen5. We merken op dat bestaande methoden voor de productie van commerciële metaalschuimen geen vergelijkbare morfologieën bereiken op deze lengteschalen8, dus de gerapporteerde fabricagemethoden zijn nodig.
De voordelen van de hier gerapporteerde methoden ten opzichte van alternatieven worden gekenmerkt door een fijne controle van sponskenmerken en door het vermogen om grote, dichte Zn-sponzen te fabriceren met technologisch relevante areaalcapaciteitswaarden5,6,9,10. Alternatieve methoden om Zn-schuimen te maken, kunnen mogelijk geen vergelijkbare poriën van 10 μm creëren met sponsporositeiten in de buurt van 50%. Dergelijke alternatieven kunnen echter minder energie nodig hebben om te fabriceren, omdat ze verwerkingsmaatregelen op hoge temperatuur vermijden. Alternatieve processen omvatten de volgende strategieën: koude sinteren Zn deeltjes11, het deponeren van Zn op driedimensionale gastheerstructuren12,13,14,15,16,17, het snijden van Zn folie in tweedimensionale schuimen18, en het creëren van Zn schuimen via spinodale ontbinding19 of percolatie ontbinding20.
De context van de gerapporteerde methoden in het bredere geheel van de gepubliceerde literatuur wordt voornamelijk vastgesteld door werk uit Drillet et al.21. Ze pasten methoden aan om poreus keramiek te fabriceren om een van de vroegst gerapporteerde driedimensionale, zij het fragiele Zn-schuimen voor batterijen te creëren. Deze auteurs hebben echter geen oplaadbaarheid aangetoond, waarschijnlijk vanwege de slechte connectiviteit tussen de Zn-deeltjes. Voorafgaand aan oplaadbare Zn-sponselektroden was het beste alternatief voor een Zn-folieelektrode een Zn-poederelektrode, waarbij Zn-poeder wordt gemengd met een gelelektrolyt. Zinkpoederelektroden worden commercieel gebruikt in primaire alkalinebatterijen (Zn–MnO2), maar hebben een slechte oplaadbaarheid omdat Zn-deeltjes worden ge passiveerd door Zn oxide (ZnO), wat de lokale stroomdichtheid kan verhogen die de dendrietgroeiaanspoort 3,22. We merken op dat er andere dendrietonderdrukkingsstrategieën zijn die geen schuim- of sponsarchitecturen23,24omvatten.
De gerapporteerde Zn-spons fabricagemethoden vereisen een buisoven, bronnen van lucht en stikstofgas (N2)en een zuurkast. Alle stappen kunnen worden uitgevoerd aan een laboratoriumbureau zonder omgevingscontrole, maar uitlaatgassen van de buisoven tijdens warmtebehandeling moeten naar een zuurkast worden geleid. Resulterende elektroden zijn geschikt voor diegenen die geïnteresseerd zijn in het maken van oplaadbare Zn-elektroden met een hoge areale capaciteit (> 10 mAh cmgeo–2)6.
De eerste gerapporteerde fabricagemethode is een emulsiegebaseerde route om Zn-sponselektroden te maken. De tweede, is een waterige route. Een voordeel van de emulsieroute is het vermogen om Zn-pasta te maken die, wanneer gedroogd, gemakkelijk uit een schimmelholte kan worden gedemold. Een nadeel is de afhankelijkheid van dure materialen. Voor de waterige route kunnen sponsvoorvormen een uitdaging zijn om te demolden, maar dit proces maakt gebruik van goedkope en overvloedige materialen.
Beide methoden omvatten het mengen van Zn-deeltjes met een porogeen- en viscositeitsverhogend middel. Het resulterende mengsel wordt verwarmd onder N2 en vervolgens lucht inademen (geen synthetische lucht). Tijdens het verwarmen onder N2ontleden de Zn-deeltjes en het porogene; onder ademlucht fuseren de gegloeide Zn-deeltjes en brandt het porogene uit. Deze processen leveren metaalschuimen of sponzen op. De mechanische en elektrochemische eigenschappen van de Zn-sponzen kunnen worden afgestemd door verschillende Zn-tot-porogen massaverhouding, verwarmingstijd onder N2 en lucht, en grootte en vorm van de Zn- en porogene deeltjes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wijzigingen en probleemoplossing in verband met deze protocollen omvatten het vullen van de vers gemengde Zn-pasta in een schimmelholte. Zorg ervoor dat luchtzakken worden vermeden. Ongewenste holtes kunnen worden verminderd door op de mal te tikken na het vullen of tijdens het vullen. Omdat de waterige Zn-pasta droog is, kan er direct druk worden uitgeoefend op de Zn-pasta om luchtzakken naar buiten te duwen tijdens het vullen van de schimmelholte.
Een beperking van de methoden is dat de pori…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gefinancierd door het United States Office of Naval Research.
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 |
Riferimenti
- 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).
