Zink-Schwamm-Batterieelektroden, die Dendriten unterdrücken

Zusammenfassung

Das Ziel der berichteten Protokolle ist es, wiederaufladbare Zinkschwammelektroden zu schaffen, die Dendriten und Formveränderungen in Zinkbatterien wie Nickel-Zink oder Zink-Luft unterdrücken.

Zusammenfassung

Wir berichten über zwei Methoden zur Herstellung von Zinkschwammelektroden, die die Dendritenbildung und Formänderung für wiederaufladbare Zinkbatterien unterdrücken. Beide Verfahren zeichnen sich durch die Herstellung einer Paste aus Zinkpartikeln, organischem Porogen und viskositätssteigerndem Mittel aus, die unter einem Inertgas und dann unter Luft erhitzt wird. Während der Erwärmung unter dem Inertgas glühen die Zinkpartikel zusammen und das Porogen zersetzt sich; Unter Luft verschmilzt das Zink und organische Reste brennen aus, wodurch ein offenzelliger Metallschaum oder Schwamm ergibt. Wir stimmen die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Zinkschwämme ab, indem wir das Zink-Porogen-Massenverhältnis, die Aufheizzeit unter Inertgas und Luft sowie die Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel variieren. Ein Vorteil der berichteten Methoden ist ihre Fähigkeit, die Zink-Schwamm-Architektur fein abzustimmen. Die gewählte Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel beeinflusst die Morphologie der Porenstruktur. Eine Einschränkung besteht darin, dass resultierende Schwämme ungeordnete Porenstrukturen aufweisen, die zu einer geringen mechanischen Festigkeit bei Zinkanteilen mit geringem Volumen führen (<30%). Zu den Anwendungen für diese Zinkschwammelektroden gehören Batterien für Netzspeicher, persönliche Elektronik, Elektrofahrzeuge und elektrische Luftfahrt. Anwender können erwarten, dass Zinkschwammelektroden bis zu 40% Entladungstiefe bei technologisch relevanten Raten und arealen Kapazitäten ohne die Bildung von separatordurchdringenden Dendriten durchlaufen.

Einleitung

Der Zweck der berichteten Herstellungsmethoden besteht darin, Zink (Zn) Schwammelektroden herzustellen, die die Dendritenbildung und Formänderung unterdrücken. In der Vergangenheit haben diese Probleme die Lebensdauer von Zn-Batterien eingeschränkt. Zinkschwammelektroden haben diese Probleme gelöst und ermöglichen Zn-Batterien mit längeren Zykluslebensdauern^1,2,3,4,5,6. Die Schwammstruktur unterdrückt dendritenbildung und Formänderung, da (1) das verschmolzene Zn-Gerüst da....

Protokoll

1. Eine emulsionsbasierte Methode zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden

1. Fügen Sie 2.054 ml entionisiertes Wasser zu einem 100 ml Glasbecher hinzu.
2. Fügen Sie 4.565 ml Decan in das Becherglas hinzu.
3. 0,1000 ± 0,0003 g Natriumdodecylsulfat (SDS) bis zum Auflösen unterrühren.
4. 0,0050 ± 0,0003 g wasserlösliches mittelviskoses Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz 5 min oder bis das CMC vollständig gelöst ist, von Hand einrühren.
   HINWEIS: Verwenden Sie kunststoff- oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge. Das Rühren mit Werkzeugen mit metallischer Oberfläche kann sich nachteilig auf die resultierenden Zn-Schwämme ausw....

Ergebnisse

Resultierende, vollständig wärmebehandelte, emulsionsbasierte Zn-Schwämme haben Dichten von 2,8 g∙cm^–3, während wässrige Schwämme sich 3,3 g∙cm^{–3 nähern.} Beim Erhitzen unter Luft bildet sich auf den Zn-Oberflächen eine Schicht ZnO, die eine Dicke von 0,5–1,0 μm haben sollte (beobachtet mit Rasterelektronenmikroskopie)⁵. Der Feststoff in den resultierenden Schwämmen sollte 72% Zn (Emulsionsversion) oder 78% Zn (wässrige Version) sein, wobei der Rest ZnO (gemessen durch Röntgen.......

Diskussion

Zu den Änderungen und fehlerbehebungen im Zusammenhang mit diesen Protokollen gehört das Füllen der frisch gemischten Zn-Paste in einen Formhohlraum. Es sollte darauf geachtet werden, Lufteinschlüsse zu vermeiden. Unerwünschte Hohlräume können durch Klopfen der Form nach dem Befüllen oder beim Befüllen verringert werden. Da die wässrige Zn-Paste trocken ist, kann Druck direkt auf die Zn-Paste ausgeübt werden, um Lufteinschlüsse auszudrücken und gleichzeitig den Formhohlraum zu füllen.

Eine Ein.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Maisstärke	Argo	Nicht anwendbar	Dies wirkt als Porogen und viskositätssteigerndes Mittel.
Decan	MilliporeSigma	D901
Mittelviskoses wasserlösliches Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz	MilliporeSigma	C4888-500G	Dieses CMC wirkt in erster Linie als viskositätssteigerndes Mittel.
Überkopfrührer	Caframo Lab Solutions	BDC3030
Kleine zylindrische Modelle für Zn-Schwämme	VWR	66014-358	Die Kappen der Fläschchen können als Formen verwendet werden.
Natriumdodecylsulfat	MilliporeSigma	436143
Wasserunlösliches IonSep CMC 52 vorgequollenes Carboxymethylcelluloseharz	BIOpHORETICS	B45019.01	Dieses CMC wirkt als Porogen und viskositätssteigerndes Mittel.
Zn Pulver	EverZinc	Sonderanfertigung