抑制登德里特的锌海绵电池电极

摘要

报告协议的目标是制造可充电的锌海绵电极，以抑制锌电池（如镍锌或锌空气）的树突和形状变化。

摘要

我们报告了两种方法来制造锌海绵电极，以抑制树突的形成和可充电锌电池的形状变化。这两种方法的特点是创建由锌颗粒、有机粥原和粘度增强剂制成的糊糊，这些粘稠性增强剂在惰性气体下加热，然后在空气中加热。在惰性气体加热过程中，锌颗粒一起退火，波源分解：在空气中，锌熔断和残余有机物燃烧，产生开放细胞金属泡沫或海绵。我们通过不同的锌与孢子质量比、惰性气体和空气下的加热时间以及锌和粥原颗粒的大小和形状来调整锌海绵的机械和电化学特性。报告方法的一个优点是它们能够微调锌海绵结构。锌和粥原颗粒的选定大小和形状影响孔隙结构的形态。一个限制是，由此产生的海绵有紊乱的孔隙结构，导致低体积锌（<30%）的机械强度低。这些锌海绵电极的应用包括用于电网存储、个人电子产品、电动汽车和电力航空的电池。用户可以期望锌海绵电极以技术相关速率循环高达 40% 的放电深度，并且无需形成分离器穿孔树突。

引言

报告的制造方法的目的是制造锌（Zn）海绵电极，抑制树突的形成和形状的变化。从历史上看，这些问题限制了Zn电池的循环寿命。锌海绵电极解决了这些问题，使Zn电池的循环寿命更长，1，2，3，4，5，6。海绵结构抑制树突的形成和形状的变化，因为（1） 融合的Zn框架电导海绵的整个体积：（2） 孔隙在Zn-海绵表面附近持有锌酸盐：和（3）海绵有一个高表面积，降低局部电流密度低于价值确定发芽树突在碱性电解质^7。但是，如果海绵表面积过高，则会发生^大量腐蚀。如果海绵毛孔太大，海绵的体^积容量将很低。此外，如果海绵孔隙过小，Zn电极在放电过程中电解质将不足以进入Zn，导致功率和容量低^5，6。

报告制造方法背后的理由是制造具有适当海绵孔隙和孔径的Zn....

研究方案

1. 制造Zn-海绵电极的乳液方法

1. 在 100 mL 玻璃烧杯中加入 2.054 毫升的去离子水。
2. 在烧饼中加入 4.565 mL 的脱脂。
3. 搅拌0.1000±0.0003克硫酸钠（SDS），直到溶解。
4. 用手搅拌0.0050±0.0003克 水溶性 中粘性甲基纤维素（CMC）钠盐5分钟或直到CMC完全溶解。
   注意：使用塑料或塑料涂层的搅拌工具。用金属表面的工具搅拌会对由此产生的 Zn 海绵产生不利影响。
5. 搅拌0.844±0.002克 水溶性 预膨胀的卡盒甲基纤维素树脂。
   注：这种类型的水溶性树脂是昂贵的（420公斤^=1）6。
6. 使用装有塑料桨的架空桨搅拌器，在 1，000 rpm 下搅拌该混合物 5 分钟。
7. 将 50 克 Zn 粉末（平均颗粒大小为 50 μm，含 307 ppm 的双糖和 307 ppm 的钛用于抑制腐蚀）倒入烧杯中，而头顶搅拌器继续以 1，000 rpm 的速度旋转。
8. 继续搅拌 Zn 糊以相同的速度再搅拌 5 分钟， 1，000 rpm 。
9. 停止搅拌器，取出烧嘴，在室温下将烧嘴及其内装物在真空中放置5分钟，使混合物过气。
10. 将 Zn 粘贴成聚丙烯模具（直径为 10 毫米，高度为 ±5 mm），并在露天过....

结果

由此产生的，完全热处理，乳液为基础的Zn海绵有2.8克+厘米⁺³的密度，而水性海绵接近3.3克+厘米^+3。在空气加热过程中，Zn 表面形成一层 ZnO，厚度应为 0.5°1.0 μm（使用扫描电子显微镜观察）^5。产生的海绵中的固体应该是72%Zn（乳液版本）或78%Zn（水文版本），其余的为ZnO（X射线衍射测量^）6。两种海绵的孔隙应接近50%，孔径分布以10μm为中心，?.......

讨论

与这些协议相关的修改和故障排除包括将新混合的 Zn 糊填充到模具腔中。应小心避免气囊。填充后或灌装时点击模具可减少不需要的空隙。由于水性 Zn 糊是干燥的，因此可以直接施加压力到 Zn 糊中，以在填充模具腔的同时推出气囊。

方法的一个局限性是Zn-海绵毛孔结构紊乱，但Zn和波源粒子大小可用于改变孔隙形态。使用添加剂制造可以制造出更有序、可能更坚固、更轻的.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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