Zinksvamp batterielektroder som undertrycker dendriter
Summary
Målet med de rapporterade protokollen är att skapa uppladdningsbara zinksvampelektroder som undertrycker dendriter och formförändring i zinkbatterier, såsom nickel-zink eller zink-luft.
Abstract
Vi rapporterar två metoder för att skapa zinksvampelektroder som undertrycker dendritbildning och formförändring för uppladdningsbara zinkbatterier. Båda metoderna kännetecknas av att skapa en pasta gjord av zinkpartiklar, organisk porogen och viskositetshöjande medel som värms upp under en inert gas och sedan luft. Under uppvärmning under inert gas, zinkpartiklarna glödgning tillsammans, och porogen sönderdelas; under luft brinner zinksäkringarna och rest organiska ut, vilket ger ett metallskum eller svamp med öppen cell. Vi justerar zinksvamparnas mekaniska och elektrokemiska egenskaper genom varierande zink-till-porogenmassförhållande, uppvärmningstid under inert gas och luft samt storlek och form på zink- och porogenpartiklarna. En fördel med de rapporterade metoderna är deras förmåga att finjustera zinksvamparkitektur. Den valda storleken och formen på zink- och porogenpartiklarna påverkar porstrukturens morfologi. En begränsning är att resulterande svampar har oordnade porstrukturer som resulterar i låg mekanisk hållfasthet vid lågvolymfraktioner av zink (<30%). Applikationer för dessa zinksvampelektroder inkluderar batterier för nätlagring, personlig elektronik, elfordon och elflyg. Användare kan förvänta sig zinksvampelektroder att cykla upp till 40% av urladdningsdjupet i tekniskt relevanta takt och areal kapacitet utan bildandet av separator-piercing dendriter.
Introduction
Syftet med de rapporterade tillverkningsmetoderna är att skapa zink (Zn) svampelektroder som undertrycker dendritbildning och formförändring. Historiskt sett har dessa problem begränsat cykellivslängden för Zn-batterier. Zinksvampelektroder har löst dessa problem, vilket möjliggör Zn-batterier med längrecykellivslivsliv 1,2,3,4,5,6. Svampstrukturen undertrycker dendritbildning och formförändring eftersom (1) det smälta Zn-ramverket elektriskt binder hela svampens volym; 2. Porerna håller zinkat nära Zn-svampytan. och (3) svampen har en hög yta som minskar lokal strömtäthet under värden som identifierats för groddar i alkaliska elektrolyter7. Men om svampytan är för hög uppstår betydande korrosion5. Om svampporerna är för stora kommer svampen att ha en låg volymetrisk kapacitet5. Om svampporerna är för små kommer Zn-elektroden också att ha otillräcklig elektrolyt för att komma åt Zn under urladdning, vilket resulterar i lågeffekt och kapacitet 5,6.
Logiken bakom de rapporterade tillverkningsmetoderna är att skapa Zn svampar med lämpliga svamp porosities och pordiametrar. Experimentellt finner vi att Zn svampar med porositeter från 50 till 70% och pordiametrar nära 10 μm cyklar bra i fullcelliga batterier och visar låga korrosionshastigheter5. Vi noterar att befintliga metoder för att tillverka kommersiella metallskum misslyckas med att uppnå liknande morfologier på dessalängdskalor 8, så de rapporterade tillverkningsmetoderna behövs.
Fördelarna med de metoder som rapporteras här över alternativ kännetecknas av fin kontroll av svampfunktioner och av förmågan att tillverka stora, täta Zn-svampar med tekniskt relevanta arealkapacitetsvärden5,6,9,10. Alternativa metoder för att skapa Zn skum kanske inte kan skapa jämförbara 10 μm porer med svamp porositeter nära 50%. Sådana alternativ kan dock kräva mindre energi för att tillverka eftersom de undviker bearbetningssteg vid höga temperaturer. Alternativa processer inkluderar följande strategier: kall sintrande Zn partiklar11, deponera Zn på tredimensionella värdstrukturer12,13,14,15,16,17, skära Zn folie i tvådimensionella skum18, och skapa Zn skum via spinodal sönderdelning19 orcol peration upplösning20.
Sammanhanget för de rapporterade metoderna i den bredare delen av den publicerade litteraturen fastställs främst genom arbete från Drillet et al.21. De anpassade metoder för att tillverka porös keramik för att skapa en av de tidigaste rapporterade tredimensionella, om än bräckliga, Zn-skum för batterier. Dessa författare misslyckades dock med att visa laddningsbarhet, sannolikt på grund av den dåliga anslutningen mellan Zn partiklarna. Före uppladdningsbara Zn-svampelektroder var det bästa alternativet till en Zn-folieelektrod en Zn-pulverelektrod, där Zn-pulver blandas med en gelelektrolyt. Zinkpulverelektroder används kommersiellt i primära alkaliska batterier (Zn-MnO2) men har dålig laddningsbarhet eftersom Zn-partiklar passiveras av Znoxid (ZnO), vilket kan öka lokal strömtäthet som sporrar dendrittillväxt3,22. Vi noterar att det finns andra dendrit-suppression strategier som inte involverar skum eller svamparkitekturer 23,24.
De rapporterade Zn-svamptillverkningsmetoderna kräver en rörugn, luft- och kvävegaskällor (N2)och en rökhuv. Alla steg kan utföras vid ett labbbord utan miljökontroll, men avgaser från rörugnen under värmebehandlingen ska ledas till en rökhuv. Resulterande elektroder är lämpliga för dem som är intresserade av att skapa uppladdningsbara Zn-elektroder med hög arealkapacitet (> 10 mAh cmgeo–2)6.
Den första rapporterade tillverkningsmetoden är en emulsionsbaserad väg för att skapa Zn-svampelektroder. Den andra är en vattenbaserad rutt. En fördel med emulsionsvägen är dess förmåga att skapa Zn-pasta som, när den torkas, är lätt att demold från en mögelhåla. En nackdel är dess beroende av dyra material. För den vattenhaltiga vägen kan svampförformningar vara utmanande att demold, men denna process använder billiga och rikliga material.
Båda metoderna innebär att blanda Zn partiklar med en porogen och viskositet-förbättra agent. Den resulterande blandningen värms upp under N2 och andas sedan luft (inte syntetisk luft). Under uppvärmning under N2sönderdelas Zn-partiklarna glödgning och porogenen; under andningsluft smälter de glödgade Zn-partiklarna samman och porogenen brinner ut. Dessa processer ger metallskum eller svampar. Zn-svamparnas mekaniska och elektrokemiska egenskaper kan trimmas av varierande Zn-till-porogen-massaförhållande, uppvärmningstid under N2 och luft samt storlek och form på Zn- och porogenpartiklarna.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ändringar och felsökning i samband med dessa protokoll inkluderar att fylla den nyblandade Zn-pastan i en mögelhåla. Försiktighet bör vidtas för att undvika luftfickor. Oönskade hålrum kan minskas genom att knacka på formen efter fyllning eller vid fyllning. Eftersom den vattenhaltiga Zn-pastan är torr kan tryck appliceras direkt på Zn-pastan för att trycka ut luftfickorna medan du fyller upp mögelhålan.
En begränsning av metoderna är att Zn-svamp por struktur är oordnad, men…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning finansierades av 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).
