Électrodes de batterie zinc-éponge qui suppriment les dendrites

Résumé

L’objectif des protocoles rapportés est de créer des électrodes rechargeables en éponge de zinc qui suppriment les dendrites et le changement de forme dans les batteries au zinc, telles que le nickel-zinc ou le zinc-air.

Résumé

Nous rapportons deux méthodes pour créer des électrodes en éponge de zinc qui suppriment la formation de dendrite et le changement de forme pour les piles au zinc rechargeables. Les deux méthodes se caractérisent par la création d’une pâte faite de particules de zinc, de porogène organique et d’agent améliorant la viscosité qui est chauffée sous un gaz inerte, puis dans l’air. Pendant le chauffage sous le gaz inerte, les particules de zinc sont recuites ensemble et le porogène se décompose; sous l’air, les fusibles de zinc et l’organique résiduel brûlent, produisant une mousse ou une éponge métallique à cellules ouvertes. Nous ajustons les propriétés mécaniques et électrochimiques des éponges de zinc en faisant varier le rapport masse zinc-porogène, le temps de chauffage sous gaz inerte et l’air, ainsi que la taille et la forme des particules de zinc et de porogène. Un avantage des méthodes rapportées est leur capacité à ajuster finement l’architecture zinc-éponge. La taille et la forme choisies des particules de zinc et de porogène influencent la morphologie de la structure des pores. Une limitation est que les éponges résultantes ont des structures poreuses désordonnées qui entraînent une faible résistance mécanique à des fractions de zinc à faible volume (<30%). Les applications de ces électrodes en éponge de zinc comprennent les batteries pour le stockage sur réseau, l’électronique personnelle, les véhicules électriques et l’aviation électrique. Les utilisateurs peuvent s’attendre à ce que les électrodes en éponge de zinc cyclent jusqu’à 40% de profondeur de décharge à des taux et des capacités sur le plan technologiquement pertinents sans formation de dendrites perforantes.

Introduction

Le but des méthodes de fabrication rapportées est de créer des électrodes en éponge de zinc (Zn) qui suppriment la formation de dendrite et le changement de forme. Historiquement, ces problèmes ont limité la durée de vie des batteries Zn. Les électrodes en éponge de zinc ont résolu ces problèmes, permettant aux batteries Zn d’avoir une durée de vie plus longue^1,2,3,4,5,6. La structure de l’éponge supprime la formation de dendrite et le changement de forme parce que (1) le ....

Protocole

1. Une méthode à base d’émulsion pour créer des électrodes en éponge Zn

1. Ajouter 2,054 mL d’eau désionisée à un bécher en verre de 100 mL.
2. Ajouter 4,565 mL de décane au bécher.
3. Incorporer 0,1000 ± 0,0003 g de dodécylsulfate de sodium (SDS) jusqu’à dissolution.
4. Incorporer 0,0050 ± 0,0003 g de sel de sodium de carboxyméthylcellulose (CMC) de viscosité moyenne soluble dans l’eau à la main pendant 5 min ou jusqu’à ce que le CMC soit complètement dissous.
   REMARQUE: Utilisez des outils d’agitation en plastique ou revêtus de plastique. L’agitation avec des outils avec une surface métallique peut nuire aux éponges Zn résultan....

Résultats

Les éponges Zn à base d’émulsion entièrement traitées thermiquement ont des densités de 2,8 g∙cm^–3 tandis que les éponges à base d’émulsion approchent 3,3 g∙cm^–3. Lors du chauffage sous l’air, une couche de ZnO se forme sur les surfaces de Zn, qui devrait avoir une épaisseur de 0,5 à 1,0 μm (observée en microscopie électronique à balayage)⁵. Le solide dans les éponges résultantes doit être de 72% Zn (version émulsion) ou 78% Zn (version aqueus.......

Discussion

Les modifications et le dépannage associés à ces protocoles incluent le remplissage de la pâte de Zn fraîchement mélangée dans une cavité de moule. Il faut prendre soin d’éviter les poches d’air. Les vides indésirables peuvent être réduits en tapotant le moule après le remplissage ou pendant le remplissage. Parce que la pâte de Zn aqueuse est sèche, une pression peut être appliquée directement sur la pâte de Zn pour pousser les poches d’air tout en remplissant la cavité du moule.

matériels

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