Zink-Svamp batteri elektroder, der undertrykker Dendrites
Summary
Målet med de rapporterede protokoller er at skabe genopladelige zink-svamp elektroder, der undertrykker dendritter og formændring i zinkbatterier, såsom nikkel-zink eller zink-luft.
Abstract
Vi rapporterer to metoder til at skabe zink-svamp elektroder, der undertrykker dendrite dannelse og form forandring for genopladelige zink batterier. Begge metoder er kendetegnet ved at skabe en pasta lavet af zinkpartikler, organisk porogen og viskositetsforbedrende middel, der opvarmes under en inaktiv gas og derefter luft. Under opvarmning under inaktiv gas nedbrydes zinkpartiklerne anneal sammen, og porogen nedbrydes; under luft brænder zinksikringerne og rest organiske forbrændinger ud, hvilket giver et fricellet metalskum eller svamp. Vi tuner zinksvampenes mekaniske og elektrokemiske egenskaber ved at variere zink-til-porogen masseforhold, opvarmningstid under inaktiv gas og luft og størrelse og form af zink- og porogenpartiklerne. En fordel ved de rapporterede metoder er deres evne til at finjustere zink-svamp arkitektur. Den valgte størrelse og form af zink- og porogenpartiklerne påvirker porestrukturens morfologi. En begrænsning er, at resulterende svampe har uorganiseret pore strukturer, der resulterer i lav mekanisk styrke ved lav volumen fraktioner af zink (<30%). Applikationer til disse zink-svampe elektroder omfatter batterier til netlagring, personlig elektronik, elektriske køretøjer og elektrisk luftfart. Brugere kan forvente zink-svamp elektroder til at cykle op til 40% dybde udledning på teknologisk relevante satser og areal kapacitet uden dannelsen af separator-piercing dendritter.
Introduction
Formålet med de rapporterede fabrikationsmetoder er at skabe zink (Zn) svampeelektroder, der undertrykker dendritdannelse og formændring. Historisk set har disse problemer begrænset Zn-batteriernes cykluslevetid. Zink-svamp elektroder har løst disse problemer, så Zn batterier med længere cyklus liv1,2,3,4,5,6. Svampestrukturen undertrykker dendritdannelse og formændring, fordi (1) den sammensmeltede Zn-ramme elektrisk ledninger hele svampens volumen; 2) porerne holder zinkat nær Zn-svampeoverfladen og (3) svampen har et højt overfladeareal, der reducerer den lokale strømtæthed under de værdier, der er identificeret til at spire dendritter i alkaliske elektrolytter7. Men hvis svampeoverfladearealet er for højt, opstår der betydelig korrosion5. Hvis svampen porerne er for store, svampen vil have en lav volumetrisk kapacitet5. Også, hvis svampen porer er for små, Zn elektroden vil have utilstrækkelig elektrolyt til at få adgang til Zn under udledning, hvilket resulterer i lav effekt og kapacitet5,6.
Begrundelsen bag de rapporterede fabrikationsmetoder er at skabe Zn svampe med passende svamp porøsiteter og pore diametre. Eksperimentelt finder vi, at Zn svampe med porøsiteter fra 50 til 70% og porediametre nær 10 μm cyklus godt i fuldcellebatterier og vise lave korrosionshastigheder5. Vi bemærker, at eksisterende metoder til fremstilling af kommercielle metalskum ikke opnår lignende morfologier på disse længdeskalaer8, så de rapporterede fremstillingsmetoder er nødvendige.
Fordelene ved de metoder, der rapporteres her over alternativer, er kendetegnet ved fin kontrol af svampefunktioner og ved evnen til at fremstille store, tætte Zn svampe med teknologisk relevante arealkapacitetsværdier5,6,9,10. Alternative metoder til at skabe Zn skum kan være i stand til at skabe sammenlignelige 10 μm porer med svamp porøsiteter nær 50%. Sådanne alternativer kan dog kræve mindre energi for at fremstille, fordi de undgår højtemperaturbehandlingstrin. Alternative processer omfatter følgende strategier: kold sintring Zn partikler11, deponering Zn på tre-dimensionelle vært strukturer12,13,14,15,16,17, skære Zn folie i to-dimensionelle skum18, og skabe Zn skum via spinodal nedbrydning19 eller percolation opløsning20.
Konteksten for de rapporterede metoder i den offentliggjorte litteraturs bredere krop er primært etableret ved arbejde fra Drillet et al.21. De tilpassede metoder til fremstilling af porøs keramik for at skabe en af de tidligst rapporterede tredimensionelle, omend skrøbelige, Zn-skum til batterier. Disse forfattere, dog undladt at påvise genopladelighed, sandsynligvis på grund af den dårlige forbindelse mellem Zn partikler. Forud for genopladelige Zn-svampeelektroder var det bedste alternativ til en Zn folieelektrode en Zn-pulverelektrode, hvori Zn pulver blandes med en gelelektrolyt. Zinkpulverelektroder anvendes kommercielt i primære alkaliske batterier (Zn-MnO2), men har dårlig genopladelighed , fordi Zn-partikler bliver passiveret af Zn-oxid (ZnO), hvilket kan øge den lokale strømtæthed , der ansporer til dendritvækst3,22. Vi bemærker, at der er andre dendrite-undertrykkelsesstrategier, der ikke involverer skum- eller svampearkitekturer23,24.
De rapporterede Zn-svampefremstillingsmetoder kræver en rørovn, kilder til luft og nitrogengas (N2) og en røghætte. Alle trin kan udføres ved et laboratoriebord uden miljøkontrol, men udstødning fra rørovnen under varmebehandling skal ledes til en røghætte. Resulterende elektroder er velegnede til dem, der er interesseret i at skabe genopladelige Zn-elektroder, der er i stand til høj arealkapacitet (> 10 mAh cmgeo–2)6.
Den første rapporterede fabrikationsmetode er en emulsionsbaseret rute til at skabe Zn-svampeelektroder. Den anden er en vandig rute. En fordel ved emulsionsruten er dens evne til at skabe Zn-pasta, der, når den tørres, er let at demolde fra et skimmelhulrum. En ulempe er dens afhængighed af dyre materialer. For den vandige rute kan svampepræforme være udfordrende at deolde, men denne proces bruger billige og rigelige materialer.
Begge metoder involverer blanding af Zn-partikler med et porogen- og viskositetsfremmende middel. Den resulterende blanding opvarmes under N2 og indånder derefter luft (ikke syntetisk luft). Under opvarmning under N2nedbrydes Zn-partiklerne anneal og porogen; under indånding luft, smelter de udglødede Zn partikler og porogen brænder ud. Disse processer giver metalskum eller svampe. Zn svampenes mekaniske og elektrokemiske egenskaber kan indstilles ved varierende Zn-til-porogen masseforhold, opvarmningstid under N2 og luft samt størrelse og form af Zn- og porogenpartiklerne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ændringer og fejlfinding i forbindelse med disse protokoller omfatter påfyldning af frisk blandet Zn pasta i en form hulrum. Der skal drages omsorg for at undgå luftlommer. Uønskede hulrum kan reduceres ved at trykke på formen efter påfyldning eller under påfyldning. Fordi den vandige Zn pasta er tør, kan trykket anvendes direkte på Zn pasta til at skubbe ud luftlommer, mens fylde formen hulrum.
En begrænsning af metoderne er, at Zn-svamp pore struktur er uorden, men Zn og porogen pa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev finansieret af 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 |
References
- 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).
