Cette recherche a été financée par l’Office of Naval Research des États-Unis.

1. Une méthode à base d’émulsion pour créer des électrodes en éponge Zn
<ol><li>Ajouter 2,054 mL d’eau désionisée à un bécher en verre de 100 mL.</li>
	<li>Ajouter 4,565 mL de décane au bécher.</li>
	<li>Incorporer 0,1000 ± 0,0003 g de dodécylsulfate de sodium (SDS) jusqu’à dissolution.</li>
	<li>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 résultantes.</li>
	<li>Incorporer 0,844 ± 0,002 g de résine de carboxyméthylcellulose présolysée insoluble dans l’eau. REMARQUE: Ce type de résine insoluble dans l’eau est coûteux (USD$420 kg–1)6.</li>
	<li>Remuer ce mélange à 1 000 tr/min pendant 5 min à l’aide d’un agitateur à palettes supérieur équipé d’une palette en plastique.</li>
	<li>Verser 50 g de poudre de Zn (taille moyenne des particules de 50 μm, contenant 307 ppm de bismuth et 307 ppm d’indium pour la suppression de la corrosion) dans le bécher pendant que l’agitateur aérien continue de tourner à 1 000 tr/min.</li>
	<li>Continuez à remuer la pâte de Zn pendant 5 minutes supplémentaires au même rythme, à 1 000 tr/min.</li>
	<li>Arrêtez l’agitateur, retirez le bécher et dégazez le mélange en plaçant le bécher et son contenu sous vide pendant 5 min dans un dessiccateur à température ambiante.</li>
	<li>Répartissez la pâte de Zn dans des moules en polypropylène (~ 10 mm de diamètre et ~ 5 mm de hauteur) et laissez-les sécher à l’air libre pendant la nuit. La forme du moule dicte la forme de la pâte séchée et des éponges Zn résultantes. REMARQUE: La taille et la forme du moule peuvent varier. Les expériences passées5 utilisent avec succès des moules cylindriques d’un diamètre proche de 10 mm. Remplissez la pâte de Zn jusqu’à une hauteur de 5 mm ou moins. Plus la hauteur est courte, plus le temps de séchage requis est court. Voir le tableau des matériaux pour les moules disponibles dans le commerce.</li>
	<li>Retirez soigneusement les préformes de pâte de Zn séchées des moules et placez-les dans un boîtier en maille qui repose sur un support en alumine entaillée5,6. REMARQUE: Fabriquez un boîtier en maille, par exemple, en pliant une feuille de laiton perforée dans un cylindre d’un diamètre légèrement supérieur au diamètre souhaité de l’électrode en éponge Zn. Vaporisez la tôle perforée avec du lubrifiant au nitrure de bore après l’avoir pliée dans la forme souhaitée.</li>
	<li>Placez l’ensemble dans un four à tubes (67 mm de diamètre) avec des orifices pour faire entrer et sortir le gaz du tube. REMARQUE: Utilisez un port (le port d’entrée) pour ariser le gaz dans la fournaise. Utilisez l’autre (l’aiâbord de sortie) pour évacuer le gaz du four à tubes dans une hotte aspirante.</li>
	<li>Tuyau N2 gaz dans le four pendant 30 min à une vitesse de 5,7 cm∙min–1 pour purger le four de l’air. REMARQUE: L’étape 1.13 peut être réalisée en connectant un réservoir de gaz N2 avec un débitmètre à commande numérique à un tube connecté à l’un des ports d’entrée. Les débitmètres de gaz peuvent être contrôlés manuellement ou par un ordinateur.</li>
	<li>Étranglez le gazN2 à une vitesse constante de 2,8 cm∙min–1 après la purge de 30 minutes.</li>
	<li>Programmer le four pour augmenter la température linéairement de 20 à 369 °C pendant 68 min, maintenir à 369 °C pendant 5 h, monter linéairement de 369 à 584 °C pendant 105 min, puis éteindre.</li>
	<li>Démarrez le programme de fournaise pendant que le gaz N2 continue de circuler.</li>
	<li>Arrêtez manuellement le flux de gazN2après le maintien de température de 5 h et tuyau dans l’air respirable à 2,8 cm∙min–1. REMARQUE: L’étape 1.17 peut être réalisée en connectant un réservoir d’air respirable (pas d’air synthétique) avec un débitmètre à commande numérique à un tube connecté à un port d’entrée supplémentaire.</li>
	<li>Une fois le programme de chauffage arrêté, laissez la fournaise refroidir à la température ambiante sans refroidissement actif, mais gardez l’air respirable en circulation.</li>
	<li>Retirez les éponges Zn refroidies et sciez-les et/ou poncez-les aux dimensions souhaitées. REMARQUE: Une variété d’outils de sciage peuvent être utilisés tels que des scies rotatives portatives ou des scies à ruban verticales. Les lames abrasives ou diamantées sont appropriées.</li>
</ol>2. Une méthode aqueuse pour créer des électrodes en éponge Zn
<ol><li>Ajouter 10,5 mL d’eau désionisée dans un bécher en verre de 100 mL.</li>
	<li>Incorporer 0,120 ± 0,001 g de gomme de cellulose à haute viscosité soluble dans l’eau, également connue sous le nom de sel de sodium de carboxyméthylcellulose (CMC). 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 résultantes.</li>
	<li>Vortex et remuer ce mélange à la main pendant 5 min ou jusqu’à ce que le CMC soit dissous.</li>
	<li>Incorporer 2.400 ± 0.001 g d’amidon de maïs tout en vortexant pendant 2 min supplémentaires.</li>
	<li>Incorporer 120,00 ± 0,01 g de poudre de Zn (taille moyenne des particules de 50 μm, contenant 307 ppm de bismuth et 307 ppm d’indium pour la suppression de la corrosion) tout en vortexant pendant 2 minutes supplémentaires.</li>
	<li>Pressez la pâte de Zn résultante dans les cavités de moule souhaitées. REMARQUE: La taille et la forme du moule peuvent varier. Les expériences passées6 utilisent avec succès des moules cylindriques d’un diamètre proche de 10 mm. Remplissez la pâte de Zn jusqu’à une hauteur de 50 mm ou moins. La pâte de Zn aqueuse est plus sèche que la pâte de Zn en émulsion, de sorte que la version aqueuse peut être utilisée pour fabriquer des éponges plus grosses qui nécessitent moins de temps de séchage. Plus la hauteur est courte, plus le temps de séchage requis est court. Le moule doit pouvoir se fendre en deux car la pâte aqueuse de Zn se contracte minimalement après le séchage, contrairement à la pâte de Zn en émulsion. Le beurre non salé peut être utilisé pour lubrifier les moules avant de presser la pâte aqueuse de Zn pour aider à la démolition. La figure 1A montre les moules usinés sur mesure emballés avec de la pâte Zn suivant le protocole aqueux. La figure 1B montre le boîtier en maille fait à la main, le support en alumine entaillée et l’éponge Zn résultante fabriquée à l’aide de la méthode aqueuse.</li>
	<li>Laissez sécher les moules remplis de pâte de Zn pendant la nuit à 70 °C à l’air libre dans un four.</li>
	<li>Suivez les mêmes étapes de manipulation et de traitement thermique (1.11-1.19) décrites pour la méthode à base d’émulsion.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retaining+the+3D+Framework+of+Zinc+Sponge+Anodes+upon+Deep+Discharge+in+Zn-Air+Cells.">Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).</li><li>Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wiring+zinc+in+three+dimensions+re-writes+battery+performance-dendrite-free+cycling.">Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance-dendrite-free cycling.</a> Energy &amp; Environmental Science. 7, 1117-1124 (2014).</li><li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rechargeable+nickel-3D+zinc+batteries:+An+energy-dense,+safer+alternative+to+lithium-ion.">Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion.</a> Science. 356 (6336), 415-418 (2017).</li><li>Ko, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+3D+Zn+sponges+enable+high-power,+energy-dense+alkaline+batteries.">Robust 3D Zn sponges enable high-power, energy-dense alkaline batteries.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (1), 212-216 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabricating+architected+zinc+electrodes+with+unprecedented+volumetric+capacity+in+rechargeable+alkaline+cells.">Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells.</a> Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).</li><li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+green+synthesis+of+zinc+sponge+for+rechargeable,+sustainable+batteries.">Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries.</a> Sustainable Energy &amp; Fuels. 4, 3363-3369 (2020).</li><li>Yufit, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operando+Visualization+and+Multi-scale+Tomography+Studies+of+Dendrite+Formation+and+Dissolution+in+Zinc+Batteries.">Operando Visualization and Multi-scale Tomography Studies of Dendrite Formation and Dissolution in Zinc Batteries.</a> Joule. 3 (2), 485-502 (2019).</li><li>Ashby, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Metal Foams: A Design Guide. , (2000).</li><li>Parker, J. F., Ko, J. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Translating+Materials-Level+Performance+into+Device-Relevant+Metrics+for+Zinc-Based+Batteries.">Translating Materials-Level Performance into Device-Relevant Metrics for Zinc-Based Batteries.</a> Joule. 2 (12), 2519-2527 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., Chervin, C. N., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+areal-energy+standard+to+validate+air-breathing+electrodes+for+rechargeable+zinc-air+batteries.">An areal-energy standard to validate air-breathing electrodes for rechargeable zinc-air batteries.</a> Advanced Energy Materials. 10 (30), 2001287 (2020).</li><li>Jayasayee, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cold+Sintering+as+a+Cost-Effective+Process+to+Manufacture+Porous+Zinc+Electrodes+for+Rechargeable+Zinc-Air+Batteries.">Cold Sintering as a Cost-Effective Process to Manufacture Porous Zinc Electrodes for Rechargeable Zinc-Air Batteries.</a> Processes. 8 (5), 592 (2020).</li><li>Chamoun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> NPG Asia Materials. 7, 178 (2015).</li><li>Kang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Porous+Copper+Skeleton+Supported+Zinc+Anode+toward+High+Capacity+and+Long+Cycle+Life+Zinc+Ion+Batteries.">3D Porous Copper Skeleton Supported Zinc Anode toward High Capacity and Long Cycle Life Zinc Ion Batteries.</a> ACS Sustainable Chemistry &amp; Engineering. 7 (3), 3364-3371 (2019).</li><li>Yu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ag-Modified+Cu+Foams+as+Three-Dimensional+Andoes+for+Rechargeable+Zinc-Air+Batteries.">Ag-Modified Cu Foams as Three-Dimensional Andoes for Rechargeable Zinc-Air Batteries.</a> ACS Applied Nano Materials. 2 (5), 2679-2688 (2019).</li><li>Stumpp, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Electrodeposition+of+Zinc+Oxide+on+Conductive+Meshes+and+Foams+Enabling+Its+Use+as+Secondary+Anode.">Controlled Electrodeposition of Zinc Oxide on Conductive Meshes and Foams Enabling Its Use as Secondary Anode.</a> Journal of The Electrochemical Society. 165 (10), 461-466 (2018).</li><li>Stock, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+Strategy+for+Zinc+Anodes+with+Enhanced+Utilization+and+Retention:+Electrodeposited+Zinc+Oxide+on+Carbon+Mesh+Protected+by+Ionomeric+Layers.">Design Strategy for Zinc Anodes with Enhanced Utilization and Retention: Electrodeposited Zinc Oxide on Carbon Mesh Protected by Ionomeric Layers.</a> ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5579-5588 (2018).</li><li>Li, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatially+homogeneous+copper+foam+as+surface+dendrite-free+host+for+zinc+metal+anode.">Spatially homogeneous copper foam as surface dendrite-free host for zinc metal anode.</a> Chemical Engineering Journal. 379, 122248 (2020).</li><li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Graphene+oxide-modified+zinc+anode+for+rechargeable+aqueous+batteries.">Graphene oxide-modified zinc anode for rechargeable aqueous batteries.</a> Chemical Engineering Science. 194, 142-147 (2019).</li><li>McDevitt, K. M., Mumm, D. R., Mohraz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+Cyclability+of+ZnO+Electrodes+through+Microstructural+Design.">Improving Cyclability of ZnO Electrodes through Microstructural Design.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (11), 8107-8117 (2019).</li><li>Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monolithic+Nanoporous+Zn+Anode+for+Rechargeable+Alkaline+Batteries.">Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries.</a> ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).</li><li>Drillet, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Novel+Zinc/Air+Fuel+Cell+with+a+Zn+Foam+Anode,+a+PVA/KOH+Membrane+and+a+MnO2/SiOC-based+Air+Cathode.">Development of a Novel Zinc/Air Fuel Cell with a Zn Foam Anode, a PVA/KOH Membrane and a MnO2/SiOC-based Air Cathode.</a> ECS Transactions. 28, 13-24 (2010).</li><li>Bozzini, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphological+evolution+of+Zn-sponge+electrodes+monitored+by+in+situ+X-ray+computed+microtomography.">Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography.</a> ACS Applied Energy Materials. , (2020).</li><li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Do+Zinc+Dendrites+Exist+in+Neutral+Zinc+Batteries:+A+Developed+Electrohealing+Strategy+to+In+Situ+Rescue+In-Service+Batteries.">Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries.</a> Advanced Materials. 31, 1903778 (2019).</li><li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen-Substituted+Graphdiyne+Ion+Tunnels+Directing+Concentration+Redistribution+for+Commercial-Grate+Dendrite-Free+Zinc+Anodes.">Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes.</a> Advanced Materials. 32, 2001755 (2020).</li><li>Narayanan, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+challenges+and+technical+approaches+for+realizing+inexpensive+and+robust+iron-air+batteries+for+large-scale+energy+storage.">Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron-air batteries for large-scale energy storage.</a> Solid State Ionics. 216, 105-109 (2012).</li><li>Xiong, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Heat+Treatment+on+the+Discharge+Behavior+of+Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn+Alloy+as+Anode+for+Magnesium-Air+Batteries.">Effects of Heat Treatment on the Discharge Behavior of Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn Alloy as Anode for Magnesium-Air Batteries.</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 26, 2901-2911 (2017).</li><li>Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppressing+corrosion+in+primary+aluminum-air+batteries+via+oil+displacement.">Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement.</a> Science. 362, 658-661 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Performance+Structural+Batteries.">High-Performance Structural Batteries.</a> Joule. , (2020).</li></ol>

J.F.P., D.R.R. et J.W.L. détiennent des brevets liés aux électrodes de zinc : brevets américains n° 9802254, 10008711, 10720635 et 10763500, brevet européen n° 2926395 et brevet chinois n° 104813521.

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.
<p class="jo...

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 longue1,2,3,4,5,6. La structure de l’éponge supprime la formation de dendrite et le changement de forme parce que (1) le cadre Zn fusionné câble électriquement tout le volume de l’éponge; (2) les pores retiennent le zincate près de la surface de l’éponge Zn; et (3) l’éponge a une surface élevée qui diminue la densité de courant local en dessous des valeurs identifiées pour faire germer des dendrites dans les électrolytes alcalins7. Cependant, si la surface de l’éponge est trop élevée, une corrosion importante se produit5. Si les pores de l’éponge sont trop grands, l’éponge aura une faible capacité volumétrique5. De plus, si les pores de l’éponge sont trop petits, l’électrode Zn aura un électrolyte insuffisant pour accéder au Zn pendant la décharge, ce qui entraîne une faible puissance et une faible capacité5,6.
La raison d’être des méthodes de fabrication rapportées est de créer des éponges Zn avec des porosités d’éponge et des diamètres de pores appropriés. Expérimentalement, nous constatons que les éponges Zn avec des porosités de 50 à 70% et des diamètres de pores proches de 10 μm cyclent bien dans les batteries à cellules complètes et affichent de faibles taux de corrosion5. Nous notons que les méthodes existantes pour fabriquer des mousses métalliques commerciales ne parviennent pas à obtenir des morphologies similaires sur ces échelles de longueur8, de sorte que les méthodes de fabrication signalées sont nécessaires.
Les avantages des méthodes rapportées ici par rapport aux alternatives sont caractérisés par un contrôle fin des caractéristiques de l’éponge et par la capacité de fabriquer de grandes éponges Zn denses avec des valeurs de capacité sur le planaire technologiquement pertinentes5,6,9,10. D’autres méthodes pour créer des mousses de Zn peuvent être incapables de créer des pores comparables de 10 μm avec des porosités d’éponge proches de 50%. De telles alternatives peuvent toutefois nécessiter moins d’énergie pour être fabriquées car elles évitent les étapes de traitement à haute température. Les procédés alternatifs comprennent les stratégies suivantes: frittage à froid des particules de Zn11, dépôt de Zn sur des structures hôtes tridimensionnelles12,13, 14,15,16,17, découpe de feuille de Zn en mousses bidimensionnelles18, et création de mousses de Zn par décomposition spinodale19 ou dissolution par percolation20.
Le contexte des méthodes rapportées dans le corps plus large de la littérature publiée est principalement établi par les travaux de Drillet et al.21. Ils ont adapté les méthodes de fabrication de céramiques poreuses pour créer l’une des premières mousses de Zn tridimensionnelles, bien que fragiles, pour batteries. Ces auteurs, cependant, n’ont pas réussi à démontrer la rechargeabilité, probablement en raison de la mauvaise connectivité entre les particules de Zn. Avant les électrodes rechargeables en éponge Zn, la meilleure alternative à une électrode en feuille Zn était une électrode en poudre Zn, dans laquelle la poudre Zn est mélangée à un électrolyte en gel. Les électrodes en poudre de zinc sont utilisées commercialement dans les piles alcalines primaires (Zn-MnO2)mais ont une faible rechargeabilité car les particules de Zn sont passivées par l’oxyde de Zn (ZnO), ce qui peut augmenter la densité de courant local qui stimule la croissance de la dendrite3,22. Nous notons qu’il existe d’autres stratégies de suppression des dendrites qui n’impliquent pas d’architectures en mousse ou en éponge23,24.
Les méthodes de fabrication de l’éponge Zn signalées nécessitent un four à tubes, des sources d’air et d’azote gazeux (N2)et une hotte aspirante. Toutes les étapes peuvent être effectuées à un bureau de laboratoire sans contrôle de l’environnement, mais les gaz d’échappement du four à tubes pendant le traitement thermique doivent être acheminés vers une hotte aspirante. Les électrodes résultantes sont appropriées pour ceux qui s’intéressent à la création d’électrodes Zn rechargeables capables d’une capacité aréale élevée (> 10 mAh cmgéo–2)6.
La première méthode de fabrication signalée est une voie à base d’émulsion pour créer des électrodes en éponge Zn. La seconde est une route aqueuse. Un avantage de la voie de l’émulsion est sa capacité à créer une pâte de Zn qui, une fois séchée, est facile à démouler à partir d’une cavité de moisissure. Un inconvénient est sa dépendance à l’égard de matériaux coûteux. Pour la voie aqueuse, les préformes d’éponge peuvent être difficiles à démouler, mais ce processus utilise des matériaux peu coûteux et abondants.
Les deux méthodes impliquent le mélange de particules de Zn avec un agent porogène et améliorant la viscosité. Le mélange résultant est chauffé sousN2 puis respire de l’air (pas de l’air synthétique). Lors du chauffage sousN2,les particules de Zn recuites et le porogène se décomposent; sous l’air respirable, les particules de Zn recuites fusionnent et le porogène brûle. Ces procédés produisent des mousses métalliques ou des éponges. Les propriétés mécaniques et électrochimiques des éponges Zn peuvent être réglées en faisant varier le rapport de masse Zn/porogène, le temps de chauffage sous N2 et l’air,ainsi que la taille et la forme des particules de Zn et de porogène.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Corn starch</td>
			<td>Argo</td>
			<td>Not applicable</td>
			<td>This acts as a porogen and viscosity-enhancing agent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Decane</td>
			<td>MilliporeSigma</td>
			<td>D901</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medium viscosity water-soluble carboxymethyl cellulose (CMC) sodium salt</td>
			<td>MilliporeSigma</td>
			<td>C4888-500G</td>
			<td>This CMC acts primarily as a viscosity-enhancing agent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Overhead stirrer</td>
			<td>Caframo Lab Solutions</td>
			<td>BDC3030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Small cylindrical models for Zn sponges</td>
			<td>VWR</td>
			<td>66014-358</td>
			<td>The caps of the vials can be used as molds.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium dodecyl sulfate</td>
			<td>MilliporeSigma</td>
			<td>436143</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water-insoluble IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin</td>
			<td>BIOpHORETICS</td>
			<td>B45019.01</td>
			<td>This CMC acts as a porogen and viscosity-enhancing agent.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zn powder</td>
			<td>EverZinc</td>
			<td>Custom order</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

zinc-sponge battery electrodes that suppress dendrites

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.

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...

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Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

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.

Électrodes de batterie zinc-éponge qui suppriment les dendrites

We report two methods to create zinc-sponge electrodes that suppress dendrite formation and shape change for rechargeable zinc batteries. Both methods are ...

zinc-sponge-battery-electrodes-that-suppress-dendrites

Research

JoVE Journal

Chemistry

4.2K vues.  U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States. 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.

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Reductive Electropolymerization of a Vinyl-containing Poly-pyridyl Complex on Glassy Carbon and Fluorine-doped Tin Oxide Electrodes

Controllable electrode surface modification is important in a number of fields, especially those with solar fuels applications. Electropolymerization is one surface modification technique that electrodeposits a polymeric film at the surface of an electrode by utilizing an applied potential to initiate the polymerization of substrates in the Helmholtz layer. This useful technique was first established by a Murray-Meyer collaboration at the University of North Carolina at Chapel Hill in the early 1980s and utilized to study numerous physical phenomena of films containing inorganic complexes as the monomeric substrate. Here, we highlight a procedure for coating electrodes with an inorganic complex by performing reductive electropolymerization of the vinyl-containing poly-pyridyl complex onto glassy carbon and fluorine doped tin oxide coated electrodes. Recommendations on electrochemical cell configurations and troubleshooting procedures are included. Although not explicitly described here, oxidative electropolymerization of pyrrole-containing compounds follows similar procedures to vinyl-based reductive electropolymerization but are far less sensitive to oxygen and water.

A procedure for performing reductive electropolymerization of vinyl-containing compounds onto glassy carbon and fluorine doped tin-oxide coated electrodes is presented. Recommendations on electrochemical cell configurations and troubleshooting procedures are included. Although not explicitly described here, oxidative electropolymerization of pyrrole-containing compounds follows similar procedures to vinyl-based reductive electropolymerization.

L&#39;électropolymérisation réductrice d&#39;un complexe de poly-pyridyl-vinyle contenant de Glassy Carbon dopé au fluor et l&#39;oxyde d&#39;étain Electrodes

Controllable electrode surface modification is important in a number of fields, especially those with solar fuels applications. Electropolymerization is ...

Recherche

Chimie

A Colorimetric Assay that Specifically Measures Granzyme B Proteolytic Activity: Hydrolysis of Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl

The serine protease Granzyme B (GzmB) mediates target cell apoptosis when released by cytotoxic T lymphocytes (CTL) or natural killer (NK) cells. GzmB is the most studied granzyme in humans and mice and therefore, researchers need specific and reliable tools to study its function and role in pathophysiology. This especially necessitates assays that do not recognize proteases such as caspases or other granzymes that are structurally or functionally related. Here, we apply GzmB&#8217;s preference for cleavage after aspartic acid residues in a colorimetric assay using the peptide thioester Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl. GzmB is the only mammalian serine protease capable of cleaving this substrate. The substrate is cleaved with similar efficiency by human, mouse and rat GzmB, a property not shared by other commercially available peptide substrates, even some that are advertised as being suitable for this purpose. This protocol is demonstrated using unfractionated lysates from activated NK cells or CTL and is also suitable for recombinant proteases generated in a variety of prokaryotic and eukaryotic systems, provided the correct controls are used. This assay is a highly specific method to ascertain the potential pro-apoptotic activity of cytotoxic molecules in mammalian lymphocytes, and of their recombinant counterparts expressed by a variety of methodologies.

We describe a simple, quantitative colorimetric assay that specifically measures the proteolytic activity of human, mouse or rat Granzyme B (GzmB). This protocol can be easily adapted for determining protease activity of other granule serine proteases by the hydrolysis of other synthetic peptide substrates with an appropriate recognition sequence.

Un dosage colorimétrique qui mesure spécifiquement l&#39;activité protéolytique Granzyme B: hydrolyse de Boc-Ala-Ala-Asp-S-Bzl

The serine protease Granzyme B (GzmB) mediates target cell apoptosis when released by cytotoxic T lymphocytes (CTL) or natural killer (NK) cells. GzmB is ...

Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from their extraction to the core during terrestrial accretion. Experiments to investigate the partitioning of these elements between metal and silicate melts suggest that the PUM composition is best matched if metal-silicate equilibrium occurred at high pressures and temperatures, in a deep magma ocean environment. The behavior of the most highly siderophile elements (HSEs) during this process however, has remained enigmatic. Silicate run-products from HSE solubility experiments are commonly contaminated by dispersed metal inclusions that hinder the measurement of element concentrations in the melt. The resulting uncertainty over the true solubility and metal-silicate partitioning of these elements has made it difficult to predict their expected depletion in PUM. Recently, several studies have employed changes to the experimental design used for high pressure and temperature solubility experiments in order to suppress the formation of metal inclusions. The addition of Au (Re, Os, Ir, Ru experiments) or elemental Si (Pt experiments) to the sample acts to alter either the geometry or rate of sample reduction respectively, in order to avoid transient metal oversaturation of the silicate melt. This contribution outlines procedures for using the piston-cylinder and multi-anvil apparatus to conduct solubility and metal-silicate partitioning experiments respectively. A protocol is also described for the synthesis of uncontaminated run-products from HSE solubility experiments in which the oxygen fugacity is similar to that during terrestrial core-formation. Time-resolved LA-ICP-MS spectra are presented as evidence for the absence of metal-inclusions in run-products from earlier studies, and also confirm that the technique may be extended to investigate Ru. Examples are also given of how these data may be applied.

We present a procedure to determine the metal-silicate partitioning of siderophile elements, emphasizing techniques that suppress the formation of metal inclusions in experiments for the noble metals. The results of these experiments are used to demonstrate the effect of core-formation on the highly siderophile element composition of the mantle.

partitionnement de Metal-silicate à haute pression et température: méthodes expérimentales et un protocole à réprimer fortement sidérophile Element Inclusions

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

A Protocol for Electrochemical Evaluations and State of Charge Diagnostics of a Symmetric Organic Redox Flow Battery

Redox flow batteries have been considered as one of the most promising stationary energy storage solutions for improving the reliability of the power grid and deployment of renewable energy technologies. Among the many flow battery chemistries, non-aqueous flow batteries have the potential to achieve high energy density because of the broad voltage windows of non-aqueous electrolytes. However, significant technical hurdles exist currently limiting non-aqueous flow batteries to demonstrate their full potential, such as low redox concentrations, low operating currents, under-explored battery status monitoring, etc. In an attempt to address these limitations, we recently reported a non-aqueous flow battery based on a highly soluble, redox-active organic nitronyl nitroxide radical compound, 2-phenyl-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide (PTIO). This redox material exhibits an ambipolar electrochemical property, and therefore can serve as both anolyte and catholyte redox materials to form a symmetric flow battery chemistry. Moreover, we demonstrated that Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy could measure the PTIO concentrations during the PTIO flow battery cycling and offer reasonably accurate detection of the battery state of charge (SOC), as cross-validated by electron spin resonance (ESR) measurements. Herein we present a video protocol for the electrochemical evaluation and SOC diagnosis of the PTIO symmetric flow battery. With a detailed description, we experimentally demonstrated the route to achieve such purposes. This protocol aims to spark more interests and insights on the safety and reliability in the field of non-aqueous redox flow batteries.

We present the protocols for electrochemically evaluating a symmetric non-aqueous organic redox flow battery and for diagnosing its state of charge using FTIR.

Un protocole pour électrochimiques Evaluations et État de diagnostic charge d&#39;une batterie de flux Redox Symmetric organique

Redox flow batteries have been considered as one of the most promising stationary energy storage solutions for improving the reliability of the power grid ...

Simple Methods for the Preparation of Non-noble Metal Bulk-electrodes for Electrocatalytic Applications

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and composition of the material was characterized via powder X-ray diffraction (PXRD), M&#246;ssbauer spectroscopy (MB), scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Two preparation methods of pentlandite bulk electrodes are presented. In the first approach a piece of synthetic pentlandite rock is directly contacted via a wire ferrule. The second approach utilizes pentlandite pellets, pressed from finely ground powder, which is immobilized in a Teflon casing. Both electrodes, whilst being prepared by an additive-free method, reveal high durability during electrocatalytic conversions in comparison to common drop-coating methods. We herein showcase the striking performance of such electrodes to accomplish the hydrogen evolution reaction (HER) and present a standardized method to evaluate the electrocatalytic performance by electrochemical and gas chromatographic methods. Furthermore, we report stability tests via potentiostatic methods at an overpotential of 0.6 V to explore the material limitations of the electrodes during electrolysis under industrial relevant conditions.

A facile preparation method of electrodes using the bulk material Fe4.5Ni4.5S8 is presented. This method provides an alternative technique to conventional electrode fabrication and describes prerequisites for unconventional electrode materials including a straightforward electrocatalytic testing method.

Méthodes simples pour la préparation d&#39;électrodes en masse de métaux non nobles pour applications électrocatalytiques

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and ...

Accelerating Rate Calorimetry and Complementary Techniques to Characterize Battery Safety Hazards

The hazards associated with lithium-based battery chemistries are well-documented due to their catastrophic nature. Risk is typically qualitatively assessed through an engineering risk matrix. Within the matrix, potentially hazardous events are categorized and ranked in terms of severity and probability to provide situational awareness to decision makers and stakeholders. The stochastic nature of battery failures, particularly the lithium-ion chemistry, makes the probability axis of a matrix difficult to properly assess. Fortunately, characterization tools exist, such as accelerated rate calorimetry (ARC), that characterize degrees of battery failure severity. ARC has been used extensively to characterize reactive chemicals but can provide a new application to induce battery failures under safe, controlled experimental conditions and quantify critical safety parameters. Due to the robust nature of the extended volume calorimeter, cells may be safely taken to failure due to a variety of abuses: thermal (simple heating of cell), electrochemical (overcharge), electrical (external short circuit), or physical (crush or nail penetration). This article describes the procedures to prepare and instrument a commercial lithium-ion battery cell for failure in an ARC to collect valuable safety data: onset of thermal runaway, endotherm associated with polymer separator melting, pressure release during thermal runaway, gaseous collection for analytical characterization, maximum temperature of complete reaction, and visual observation of decomposition processes using a high temperature borescope (venting and cell can breach). A thermal &#8220;heat-wait-seek&#8221; method is used to induce cell failure, in which the battery is heated incrementally to a set point, then the instrument identifies heat generation from the battery. As heat generates a temperature rise in the battery, the calorimeter temperature follows this temperature rise, maintaining an adiabatic condition. Therefore, the cell does not exchange heat with the external environment, so all heat generation from the battery under failure is captured.

A method to characterize the potential failure hazards of lithium batteries is achieved with accelerating rate calorimetry. Heat and pressure release, visual observation of the failure event, and the capture of evolved gases are collected in this experiment to identify the worst credible threats of batteries taken to failure.

The hazards associated with lithium-based battery chemistries are well-documented due to their catastrophic nature. Risk is typically qualitatively ...

Fabrication of Thin Film Silver/Silver Chloride Electrodes with Finely Controlled Single Layer Silver Chloride

This paper aims to present a protocol to form smooth and well-controlled films of silver/silver chloride (Ag/AgCl) with designated coverage on top of thin film silver electrodes. Thin film silver electrodes sized 80 &#181;m x 80 &#181;m and 160 &#181;m x 160 &#181;m were sputtered on quartz wafers with a chromium/gold (Cr/Au) layer for adhesion. After passivation, polishing and cathodic cleaning processes, the electrodes underwent galvanostatic oxidation with consideration of Faraday&#39;s Law of Electrolysis to form smooth layers of AgCl with a designated degree of coverage on top of the silver electrode. This protocol is validated by inspection of scanning electron microscope (SEM) images of the surface of the fabricated Ag/AgCl thin film electrodes, which highlights the functionality and performance of the protocol. Sub-optimally fabricated electrodes are fabricated as well for comparison. This protocol can be widely used to fabricate Ag/AgCl electrodes with specific impedance requirements (e.g., probing electrodes for impedance sensing applications like impedance flow cytometry and interdigitated electrode arrays).

This paper aims to present a method to form smooth and well-controlled films of silver chloride (AgCl) with designated coverage on top of thin film silver electrodes.

Fabrication d’électrodes de chlorure d’argent/argent à couches minces de chlorure d’argent à couche unique

This paper aims to present a protocol to form smooth and well-controlled films of silver/silver chloride (Ag/AgCl) with designated coverage on top of thin ...

Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy

With the ever-increasing use of Li-ion batteries, especially due to their adoption in electric vehicles, their safety is in prime focus. Thus, the all-solid-state batteries (ASSBs) that use solid electrolytes instead of liquid electrolytes, which reduce the risk of flammability, have been the center stage of battery research for the last few years. However, in the ASSB, the ion transportation through the solid-solid electrolyte-electrode interface poses a challenge due to contact and chemical/electrochemical stability issues. Applying a suitable coating around the electrode and/or electrolyte particles offers a convenient solution, leading to better performance. For this, researchers are screening potential electronic/ionic conductive and nonconductive coatings to find the best coatings with suitable thickness for long-term chemical, electrochemical, and mechanical stability. Operando transmission electron microscopy (TEM) couples high spatial resolution with high temporal resolution to allow visualization of dynamic processes, and thus is an ideal tool to evaluate electrode/electrolyte coatings via studying (de)lithiation at a single particle level in real-time. However, the accumulated electron dose during a typical high-resolution in situ work may affect the electrochemical pathways, evaluation of which can be time-consuming. The current protocol presents an alternative procedure in which the potential coatings are applied on Si nanoparticles and are subjected to (de)lithiation during operando TEM experiments. The high volume changes of Si nanoparticles during (de)lithiation allow monitoring of the coating behavior at a relatively low magnification. Thus, the whole process is very electron-dose efficient and offers quick screening of potential coatings.

Screening of Coatings for an All-Solid-State Battery Using In Situ Transmission Electron Microscopy

Utilizing the volume change of Si nanoparticles during (de)lithiation, the present protocol describes a screening method of potential coatings for all-solid-state batteries using in situ transmission electron microscopy.