أقطاب بطارية الزنك والإسفنج التي قمع Dendrites

Brandon  J. Hopkins; Megan  B. Sassin; Joseph  F. Parker; Jeffrey  W. Long; Debra  R. Rolison

doi:10.3791/61770

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

والهدف من البروتوكولات المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب كهربائية قابلة لإعادة الشحن من الزنك والإسفنج تقمع التشعبات وتغير الشكل في بطاريات الزنك، مثل النيكل والزنك أو الزنك والهواء.

Abstract

نحن نبلغ عن طريقتين لإنشاء أقطاب الزنك والإسفنج التي تمنع تكوين التشعب وتغيير الشكل لبطاريات الزنك القابلة لإعادة الشحن. وتتميز كلتا الطريقتين من خلال خلق عجينة مصنوعة من جزيئات الزنك، والكاروجين العضوي، وعامل تعزيز اللزوجة التي يتم تسخينها تحت غاز خامل ومن ثم الهواء. أثناء التدفئة تحت الغاز الخامل ، جزيئات الزنك معا ، وتحلل الدروجين ؛ تحت الهواء ، وصمامات الزنك والحروق العضوية المتبقية ، مما أسفر عن رغوة معدنية مفتوحة الخلية أو الإسفنج. نحن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية من الإسفنج الزنك عن طريق نسبة متفاوتة من الزنك إلى هرمون الاستروجين الشامل، ووقت التدفئة تحت الغاز الخامل والهواء، وحجم وشكل جزيئات الزنك والروجين. ميزة من الأساليب المبلغ عنها هي قدرتها على ضبط الهندسة المعمارية الزنك والإسفنج بدقة. يؤثر الحجم والشكل المحددان لجسيمات الزنك والروجين على مورفولوجيا بنية المسام. وهناك قيود على ذلك هو أن الإسفنج الناتج قد اضطراب هياكل المسام التي تؤدي إلى انخفاض القوة الميكانيكية في كسور حجم منخفض من الزنك (<30٪). وتشمل التطبيقات لهذه الأقطاب الزنك الإسفنج بطاريات لتخزين الشبكة، والالكترونيات الشخصية، والمركبات الكهربائية، والطيران الكهربائي. يمكن للمستخدمين توقع أقطاب الزنك والإسفنج لدورة تصل إلى عمق 40٪ من التفريغ بمعدلات ذات الصلة من الناحية التكنولوجية والقدرات الموضعية دون تشكيل dendrites خارقة للفواصل.

Introduction

الغرض من أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء أقطاب إسفنجية الزنك (Zn) التي تقمع تكوين التشعب وتغيير الشكل. تاريخيا، حدت هذه المشاكل من دورة عمر بطاريات Zn. وقد حلت أقطاب الزنك والإسفنج هذه القضايا، وتمكين بطاريات زين مع حياة أطول دورة^1،^2،^3،^4،^5،⁶. هيكل اسفنجة يقمع تشكيل التشعب وتغيير الشكل لأن (1) الإطار تنصهر ZN الأسلاك كهربائيا حجم كامل من الاسفنج. (2) المسام عقد الزنكات بالقرب من سطح Zn-الإسفنج. و (3) الإسفنج لديه مساحة سطح عالية أن يقلل من الكثافة الحالية المحلية تحت القيم المحددة لتنبت dendrites في الشوارد القلوية⁷. ومع ذلك، إذا كانت مساحة سطح الإسفنج مرتفعة جدا، يحدث تآكل كبير⁵. إذا كانت المسام الإسفنج كبيرة جدا، فإن الإسفنج لديها قدرة حجمية منخفضة⁵. أيضا، إذا كانت المسام الإسفنج صغيرة جدا، فإن القطب ZN يكون الكهارل كافية للوصول إلى ZN أثناء التفريغ، مما أدى إلى انخفاض الطاقة والقدرة⁵^،⁶.

الأساس المنطقي وراء أساليب التصنيع المبلغ عنها هو إنشاء إسفنجات Zn ذات مساميات إسفنجية مناسبة وأقطار مسام. تجريبيا، نجد أن الإسفنج ZN مع المساميات من 50 إلى 70٪ وأقطار المسام بالقرب من دورة 10 ميكرومتر بشكل جيد في بطاريات الخلايا الكاملة وعرض معدلات التآكل منخفضة⁵. نلاحظ أن الأساليب القائمة لتصنيع الرغاوي المعدنية التجارية تفشل في تحقيق مورفولوجيا مماثلة على هذه المقاييس طول⁸، لذلك هناك حاجة إلى أساليب التصنيع المبلغ عنها.

وتتميز مزايا الأساليب المبلغ عنها هنا على البدائل من خلال التحكم الدقيق في ميزات الإسفنج والقدرة على تصنيع إسفنجاتZn كبيرة وكثيفة بقيم ذات صلة تكنولوجية ذات قدرة القاعدة⁵^و6^و9^و10. طرق بديلة لخلق رغاوي زن قد تكون غير قادرة على خلق مماثلة 10 ميكرومتر المسام مع المسام الإسفنج بالقرب من 50٪. غير أن هذه البدائل قد تتطلب طاقة أقل لتصنيعها لأنها تتجنب خطوات المعالجة عالية الحرارة. وتشمل العمليات البديلة الاستراتيجيات التالية: الباردة تلبد جسيمات زن^11،إيداع ZN على هياكل المضيف ثلاثي الأبعاد^12،^13،^14،^15،^16،^17،وقطع احباط زين إلى رغاوي ثنائية الأبعاد^18،وخلق رغاوي زين عن طريق التحلل سبينودال¹⁹ أو انحلال التغلغل²⁰.

يتم تحديد سياق الأساليب المبلغ عنها في الجسم الأوسع للمؤلفات المنشورة في المقام الأول من خلال عمل Drillet^{وآخرون.} وقاموا بتكييف أساليب تصنيع السيراميك المسامي لإنشاء واحدة من أقدم رغاوي Zn ثلاثية الأبعاد المبلغ عنها، وإن كانت هشة، للبطاريات. ومع ذلك، فشل هؤلاء المؤلفون في إثبات قابلية إعادة الشحن، على الأرجح بسبب ضعف الاتصال بين جزيئات Zn. قبل أقطاب Zn-sponge القابلة لإعادة الشحن ، كان أفضل بديل لقطب رقائق Zn هو قطب Zn-powder ، حيث يتم خلط مسحوق Zn مع المنحل بالكهرباء الهلامية. وتستخدم تجاريا أقطاب مسحوق الزنك في البطاريات القلوية الأولية (Zn-MnO₂₎ولكن لديها ضعف قابلية الشحن لأن جزيئات Zn تصبح مهزوزة بواسطة أكسيد الزنك (ZnO)، والتي يمكن أن تزيد من كثافة التيار المحلي الذي يحفز نمو التشعب³^،²². نلاحظ أن هناك استراتيجيات أخرى لقمع التغصن لا تنطوي على رغوة أو الإسفنج العمارات²³^،²⁴.

تتطلب طرق تصنيع Zn-sponge المبلغ عنها فرن أنبوب ، ومصادر للهواء وغاز النيتروجين (N₂₎، وغطاء دخان. يمكن تنفيذ جميع الخطوات في مكتب المختبر دون مراقبة بيئية ، ولكن يجب توصيل العادم من فرن الأنبوب أثناء المعالجة الحرارية بغطاء الدخان. الأقطاب الكهربائية الناتجة هي مناسبة للمهتمين في خلق أقطاب ZN القابلة لإعادة الشحن قادرة على قدرة عالية (> 10 مللي أمبير في الساعة_جيو^{سم -2})⁶.

أول طريقة تصنيع المبلغ عنها هو مسار القائم على مستحلب لإنشاء أقطاب Zn-الإسفنج. والثاني هو طريق مائي. ميزة الطريق مستحلب هو قدرته على خلق عجينة Zn التي، عندما المجففة، من السهل أن demold من تجويف العفن. العيب هو اعتمادها على المواد باهظة الثمن. بالنسبة للطريق المائي ، يمكن أن تكون الأشكال المسبقة للإسفنج صعبة للإزالة ، ولكن هذه العملية تستخدم مواد غير مكلفة ووفيرة.

كلا الأسلوبين تنطوي على خلط جزيئات Zn مع عامل تعزيز اللزوجة واللزوجة. يتم تسخين الخليط الناتج تحت N₂ ثم تنفس الهواء (وليس الهواء الاصطناعي). أثناء التدفئة تحت N₂، تتحلل جزيئات Zn الصلبة والporogen ؛ تحت الهواء التنفس، جزيئات Zn المصاهر الصمامات والحروق روجين بها. هذه العمليات تسفر عن رغاوي معدنية أو الإسفنج. يمكن ضبط الخصائص الميكانيكية والكهروكيميائية للإسفنج Zn من خلال نسبة كتلة Zn-to-porogen المختلفة ، ووقت التدفئة تحت N₂ والهواء ، وحجم وشكل جزيئات Zn وporogen.