Questa ricerca è stata finanziata dall'Office of Naval Research degli Stati Uniti.

1. Un metodo basato su emulsione per creare elettrodi di spugna Zn
<ol><li>Aggiungere 2.054 ml di acqua deionizzata a un becher di vetro da 100 ml.</li>
	<li>Aggiungere 4.565 ml di decane al becher.</li>
	<li>Mescolare 0,1000 ± 0,0003 g di sodio dodecil solfato (SDS) fino a quando non si scioglie.</li>
	<li>Mescolare a mano 0,0050 ± 0,0003 g di sale sodico carbossimetilcellulosa (CMC) a media viscosità solubile in acqua per 5 minuti o fino a completa dissoluzione della CMC. NOTA: utilizzare utensili di agitazione in plastica o rivestiti in plastica. Mescolare con strumenti con una superficie metallica può influire negativamente sulle spugne Zn risultanti.</li>
	<li>Mescolare 0,844 ± 0,002 g di resina carbossimetilcellulosa presolubile insolubile in acqua. NOTA: Questo tipo di resina insolubile in acqua è costoso (USD $ 420 kg-1)6.</li>
	<li>Mescolare questa miscela a 1.000 giri / min per 5 minuti utilizzando un agitatore a pale in testa dotato di una paletta di plastica.</li>
	<li>Versare 50 g di polvere di Zn (dimensione media delle particelle di 50 μm, contenente 307 ppm di bismuto e 307 ppm di indio per la soppressione della corrosione) nel becher mentre l'agitatore aereo continua a girare a 1.000 giri / min.</li>
	<li>Continuare a mescolare la pasta Zn per altri 5 minuti alla stessa velocità, 1.000 giri / min.</li>
	<li>Arrestare l'agitatore, rimuovere il becher e degassare la miscela mettendo il becher e il suo contenuto sotto vuoto per 5 minuti in un essiccatore a temperatura ambiente.</li>
	<li>Porzionare la pasta di Zn in stampi in polipropilene (~ 10 mm di diametro e ~ 5 mm di altezza) e lasciarli asciugare all'aperto durante la notte. La forma dello stampo determina la forma della pasta essiccata e delle spugne Zn risultanti. NOTA: le dimensioni e la forma dello stampo possono variare. Esperimenti passati5 utilizzano con successo stampi cilindrici con diametri vicini a 10 mm. Riempire la pasta Zn fino a un'altezza di 5 mm o meno. Più corta è l'altezza, più breve è il tempo di asciugatura richiesto. Vedere Tabella dei materiali per gli stampi disponibili in commercio.</li>
	<li>Rimuovere con cura le preforme di pasta di Zn essiccate dagli stampi e metterle in un involucro a rete che poggia su un supporto di allumina dentellato5,6. NOTA: Fabbricare l'involucro a rete, ad esempio, piegando un foglio di ottone perforato in un cilindro con un diametro leggermente superiore al diametro desiderato dell'elettrodo Zn-spugna. Spruzzare la lamiera perforata con lubrificante al boro-nitruro dopo averla piegata nella forma desiderata.</li>
	<li>Posizionare l'assemblaggio in un forno tubolare (67 mm di diametro) con porte per far fluire il gas dentro e fuori dal tubo. NOTA: utilizzare una porta (la porta d'ingresso) per convogliare il gas nel forno. Utilizzare l'altra (la porta di uscita) per sfogare il gas dal forno tubolare in una cappa aspirante.</li>
	<li>Tubo N2 gas nel forno per 30 minuti ad una velocità di 5,7 cm∙min–1 per spurgare il forno dall'aria. NOTA: Il passo 1.13 può essere ottenuto collegando un serbatoio di gas N2 con un misuratore di portata controllato digitalmente a un tubo collegato a una delle porte di ingresso. I misuratori di portata del gas possono essere controllati manualmente o da un computer.</li>
	<li>Accelera il gas N2 a una velocità costante di 2,8 cm∙min–1 dopo lo spurgo di 30 minuti.</li>
	<li>Programmare il forno per aumentare la temperatura linearmente da 20 a 369 °C nel corso di 68 minuti, tenere premuto a 369 °C per 5 ore, salire linearmente da 369 a 584 °C nel corso di 105 minuti e quindi spegnere.</li>
	<li>Avviare il programma del forno mentre il gas N2 continua a fluire.</li>
	<li>Arrestare manualmente il flusso di gas N2dopo la tenuta della temperatura di 5 ore e convogliare l'aria respirabile a 2,8 cm∙min–1. NOTA: il passaggio 1.17 può essere ottenuto collegando un serbatoio di aria respirabile (non aria sintetica) con un misuratore di portata controllato digitalmente a un tubo collegato a una porta d'ingresso aggiuntiva.</li>
	<li>Una volta che il programma di riscaldamento si ferma, lasciare raffreddare il forno a temperatura ambiente senza raffreddamento attivo, ma mantenere l'aria respirabile che scorre.</li>
	<li>Rimuovere le spugne Zn raffreddate e vederle e/o levigarle alle dimensioni desiderate. NOTA: è possibile utilizzare una varietà di strumenti di segatura come seghe rotanti portatili o seghe a nastro verticali. Abrasivi o dischi diamantati sono appropriati.</li>
</ol>2. Un metodo acquoso per creare elettrodi di spugna Zn
<ol><li>Aggiungere 10,5 ml di acqua deionizzata a un becher di vetro da 100 ml.</li>
	<li>Mescolare 0,120 ± 0,001 g di gomma di cellulosa ad alta viscosità solubile in acqua, nota anche come sale sodico carbossimetilcellulosa (CMC). NOTA: utilizzare utensili di agitazione in plastica o rivestiti in plastica. Mescolare con strumenti con una superficie metallica può influire negativamente sulle spugne Zn risultanti.</li>
	<li>Vortice e mescolare questa miscela a mano per 5 minuti o fino a quando il CMC è sciolto.</li>
	<li>Mescolare 2.400 ± 0,001 g di amido di mais mentre si vorticosa per altri 2 minuti.</li>
	<li>Mescolare 120,00 ± 0,01 g di polvere di Zn (dimensione media delle particelle di 50 μm, contenente 307 ppm di bismuto e 307 ppm di indio per la soppressione della corrosione) mentre si vortica per altri 2 minuti.</li>
	<li>Premere la pasta Zn risultante nelle cavità dello stampo desiderate. NOTA: le dimensioni e la forma dello stampo possono variare. Esperimenti passati6 utilizzano con successo stampi cilindrici con diametri vicini a 10 mm. Riempire la pasta Zn fino a un'altezza di 50 mm o meno. La pasta acquosa di Zn è più secca della pasta di emulsione Zn, quindi la versione acquosa può essere utilizzata per realizzare spugne più grandi che richiedono meno tempo di asciugatura. Più corta è l'altezza, più breve è il tempo di asciugatura richiesto. Lo stampo deve essere in grado di dividersi a metà poiché la pasta acquosa di Zn si contrae minimamente dopo l'essiccazione, a differenza della pasta di emulsione Zn. Il burro non salato può essere utilizzato per lubrificare gli stampi prima di premere nella pasta acquosa di Zn per aiutare nello slittidamento. La Figura 1A mostra gli stampi lavorati su misura confezionati con pasta Zn seguendo il protocollo acquoso. La Figura 1B mostra l'involucro a rete fatto a mano, il supporto in allumina dentellato e la spugna Zn risultante realizzata con il metodo a base acquosa.</li>
	<li>Lasciare asciugare gli stampi riempiti di pasta Zn per una notte a 70 °C all'aria aperta in un forno.</li>
	<li>Seguire le stesse fasi di manipolazione e trattamento termico (1.11–1.19) descritte per il metodo a base di emulsione.</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. 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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. e J.W.L. detengono brevetti relativi agli elettrodi di zinco: brevetti statunitensi n. 9802254, 10008711, 10720635 e 10763500, brevetto UE n. 2926395 e brevetto cinese n. 104813521.

Le modifiche e la risoluzione dei problemi associati a questi protocolli includono il riempimento della pasta di Zn appena miscelata in una cavità dello stampo. Bisogna fare attenzione ad evitare sacche d'aria. I vuoti indesiderati possono essere ridotti picchiettando lo stampo dopo il riempimento o durante il riempimento. Poiché la pasta acquosa di Zn è asciutta, la pressione può essere applicata direttamente alla pasta Zn per spingere fuori le sacche d'aria mentre si riempie la cavità dello stampo.
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Lo scopo dei metodi di fabbricazione riportati è quello di creare elettrodi di spugna di zinco (Zn) che sopprimono la formazione di dendrite e il cambiamento di forma. Storicamente, questi problemi hanno limitato la durata del ciclo delle batterie Zn. Gli elettrodi zinco-spugna hanno risolto questi problemi, consentendo batterie Zn con cicli di vita più lunghi1,2,3,4,5,6. La struttura della spugna sopprime la formazione di dendrite e il cambiamento di forma perché (1) la struttura Zn fusa fili elettricamente l'intero volume della spugna; (2) i pori trattengono zincato vicino alla superficie della spugna Zn; e (3) la spugna ha una superficie elevata che diminuisce la densità di corrente locale al di sotto dei valori identificati per germogliare dendriti in elettroliti alcalini7. Tuttavia, se la superficie della spugna è troppo alta, si verifica una corrosione sostanziale5. Se i pori della spugna sono troppo grandi, la spugna avrà una bassa capacità volumetrica5. Inoltre, se i pori della spugna sono troppo piccoli, l'elettrodo Zn avrà un elettrolita insufficiente per accedere a Zn durante la scarica, con conseguente bassa potenza e capacità5,6.
La logica alla base dei metodi di fabbricazione riportati è quella di creare spugne Zn con porosità di spugna e diametri dei pori appropriati. Sperimentalmente, troviamo che le spugne Zn con porosità dal 50 al 70% e diametri dei pori vicini a 10 μm ciclino bene in batterie a celle complete e mostrano bassi tassi di corrosione5. Notiamo che i metodi esistenti per produrre schiume metalliche commerciali non riescono a raggiungere morfologie simili su queste scale di lunghezza8, quindi sono necessari i metodi di fabbricazione riportati.
I vantaggi dei metodi qui riportati rispetto alle alternative sono caratterizzati da un controllo fine delle caratteristiche della spugna e dalla capacità di fabbricare spugne Zn grandi e dense con valori di capacità areale tecnologicamente rilevanti5,6,9,10. Metodi alternativi per creare schiume Zn potrebbero non essere in grado di creare pori comparabili da 10 μm con porosità di spugna vicine al 50%. Tali alternative possono, tuttavia, richiedere meno energia per la fabbricazione perché evitano le fasi di lavorazione ad alta temperatura. I processi alternativi includono le seguenti strategie: sinterizzazione a freddo di particelledi Zn 11, deposito di Zn su strutture ospiti tridimensionali12,13,14, 15,16,17, taglio di fogli di Zn in schiume bidimensionali18e creazione di schiume Zn tramite decomposizione spinodale19 o dissoluzione di percolazione20.
Il contesto dei metodi riportati nel più ampio corpo della letteratura pubblicata è principalmente stabilito dal lavoro di Drillet et al.21. Hanno adattato i metodi di fabbricazione di ceramiche porose per creare una delle prime schiume Zn tridimensionali, anche se fragili, per batterie. Questi autori, tuttavia, non sono riusciti a dimostrare la ricaricabilità, probabilmente a causa della scarsa connettività tra le particelle Zn. Prima degli elettrodi ricaricabili in spugna Zn, la migliore alternativa a un elettrodo a lamina Zn era un elettrodo Zn-polvere, in cui la polvere Zn viene miscelata con un elettrolita gel. Gli elettrodi zinco-polvere sono commercialmente utilizzati nelle batterie alcaline primarie (Zn-MnO2)ma hanno scarsa ricaricabilità perché le particelle Zn vengono passivate dall'ossido di Zn (ZnO), che può aumentare la densità di corrente locale che stimola la crescita di dendriti3,22. Notiamo che ci sono altre strategie di soppressione dei dendriti che non coinvolgono architetture di schiuma o spugna23,24.
I metodi di fabbricazione della spugna Zn riportati richiedono un forno tubolare, fonti di aria e azoto gassoso (N2)e una cappa aspirante. Tutti i passaggi possono essere eseguiti presso un banco di laboratorio senza controllo ambientale, ma lo scarico dal forno a tubi durante il trattamento termico deve essere convogliato a una cappa aspirante. Gli elettrodi risultanti sono appropriati per coloro che sono interessati a creare elettrodi Zn ricaricabili capaci di elevata capacità areale (> 10 mAh cmgeo-2)6.
Il primo metodo di fabbricazione riportato è un percorso basato sull'emulsione per creare elettrodi di spugna Zn. Il secondo, è un percorso acquoso. Un vantaggio del percorso di emulsione è la sua capacità di creare pasta di Zn che, una volta essiccata, è facile da sbiliare da una cavità dello stampo. Uno svantaggio è la sua dipendenza da materiali costosi. Per il percorso acquoso, le preforme di spugna possono essere difficili da sformare, ma questo processo utilizza materiali economici e abbondanti.
Entrambi i metodi prevedono la miscelazione di particelle Zn con un porogen e un agente che migliora la viscosità. La miscela risultante viene riscaldata sotto N2 e quindi respira aria (non aria sintetica). Durante il riscaldamento sotto N2, le particelle di Zn ricotto e il porogen si decompongono; sotto l'aria respirabile, le particelle di Zn ricotto si fondono e il porogen brucia. Questi processi producono schiume metalliche o spugne. Le proprietà meccaniche ed elettrochimiche delle spugne Zn possono essere regolate variando il rapporto di massa Zn-porogen, il tempo di riscaldamento sotto N2 e l'aria, e le dimensioni e la forma delle particelle Zn e porogen.

<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

Segnaliamo due metodi per creare elettrodi di spugna di zinco che sopprimono la formazione di dendrite e il cambiamento di forma per le batterie di zinco ricaricabili. Entrambi i metodi sono caratterizzati dalla creazione di una pasta fatta di particelle di zinco, porogen organico e agente che migliora la viscosità che viene riscaldata sotto un gas inerte e quindi aria. Durante il riscaldamento sotto il gas inerte, le particelle di zinco si ricotturano insieme e il porogen si decompone; sotto l'aria, i fusibili di zinco e l'organico residuo brucia, producendo una schiuma metallica a celle aperte o una spugna. Sintonizziamo le proprietà meccaniche ed elettrochimiche delle spugne di zinco variando il rapporto di massa zinco-porogen, il tempo di riscaldamento sotto gas inerte e aria, e le dimensioni e la forma delle particelle di zinco e porogen. Un vantaggio dei metodi riportati è la loro capacità di sintonizzare finemente l'architettura zinco-spugna. Le dimensioni e la forma selezionate delle particelle di zinco e porogen influenzano la morfologia della struttura dei pori. Un limite è che le spugne risultanti hanno strutture dei pori disordinate che si traducono in una bassa resistenza meccanica a frazioni di zinco a basso volume (<30%). Le applicazioni per questi elettrodi di zinco-spugna includono batterie per l'archiviazione della rete, l'elettronica personale, i veicoli elettrici e l'aviazione elettrica. Gli utenti possono aspettarsi che gli elettrodi di zinco-spugna ciclino fino al 40% di profondità di scarica a velocità e capacità areali tecnologicamente rilevanti senza la formazione di dendriti perforanti separatori.

Le spugne Zn a base di emulsione, completamente trattate termicamente, hanno densità di 2,8 g∙cm–3 mentre le spugne a base acquosa si avvicinano a 3,3 g∙cm–3. Durante il riscaldamento sotto l'aria, si forma uno strato di ZnO sulle superfici Zn, che dovrebbe avere uno spessore di 0,5-1,0 μm (osservato usando la microscopia elettronica a scansione)5. Il solido nelle spugne risultanti dovrebbe essere 72% Zn (versione emulsione) o 78% Zn (versione acquosa) con il resto ...

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Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

L'obiettivo dei protocolli riportati è quello di creare elettrodi zinco-spugna ricaricabili che sopprimono i dendriti e cambiano forma nelle batterie di zinco, come nichel-zinco o zinco-aria.

Elettrodi per batterie in spugna di zinco che sopprimono i dendriti

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

4.3K Views.  U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States. L'obiettivo dei protocolli riportati è quello di creare elettrodi zinco-spugna ricaricabili che sopprimono i dendriti e cambiano forma nelle batterie di zinco, come nichel-zinco o zinco-aria.

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Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime. Lithium ion batteries have also been considered to be used in electric and hybrid vehicles1 or even electrical grid stabilization systems2. All these applications simulate a dramatic increase in the research and development of battery materials3-7, including new materials3,8, doping9, nanostructuring10-13, coatings or surface modifications14-17 and novel binders18. Consequently, an increasing number of physicists, chemists and materials scientists have recently ventured into this area. Coin cells are widely used in research laboratories to test new battery materials; even for the research and development that target large-scale and high-power applications, small coin cells are often used to test the capacities and rate capabilities of new materials in the initial stage. 
 In 2010, we started a National Science Foundation (NSF) sponsored research project to investigate the surface adsorption and disordering in battery materials (grant no. DMR-1006515). In the initial stage of this project, we have struggled to learn the techniques of assembling and testing coin cells, which cannot be achieved without numerous help of other researchers in other universities (through frequent calls, email exchanges and two site visits). Thus, we feel that it is beneficial to document, by both text and video, a protocol of assembling and testing a coin cell, which will help other new researchers in this field. This effort represents the "Broader Impact" activities of our NSF project, and it will also help to educate and inspire students.
In this video article, we document a protocol to assemble a CR2032 coin cell with a LiCoO2 working electrode, a Li counter electrode, and (the mostly commonly used) polyvinylidene fluoride (PVDF) binder. To ensure new learners to readily repeat the protocol, we keep the protocol as specific and explicit as we can. However, it is important to note that in specific research and development work, many parameters adopted here can be varied. First, one can make coin cells of different sizes and test the working electrode against a counter electrode other than Li. Second, the amounts of C black and binder added into the working electrodes are often varied to suit the particular purpose of research; for example, large amounts of C black or even inert powder were added to the working electrode to test the "intrinsic" performance of cathode materials14. Third, better binders (other than PVDF) have also developed and used18. Finally, other types of electrolytes (instead of LiPF6) can also be used; in fact, certain high-voltage electrode materials will require the uses of special electrolytes7.

A protocol to construct and test coin cells of lithium ion batteries is described. The specific procedures of making a working electrode, preparing a counter electrode, assembling a cell inside a glovebox and testing the cell are presented.

Costruzione e collaudo di Pile Batterie agli ioni di litio

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

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Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

Fabbricazione di VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells per Elettrochimica Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. During insertion or removal of alkali metal ions, the redox states of transition metals in the compounds change and structural transformations such as phase transitions and/or lattice parameter increases or decreases occur. These behaviors in turn determine important characteristics of the batteries such as the potential profiles, rate capabilities, and cycle lives. The extremely bright and tunable x-rays produced by synchrotron radiation allow rapid acquisition of high-resolution data that provide information about these processes. Transformations in the bulk materials, such as phase transitions, can be directly observed using X-ray diffraction (XRD), while X-ray absorption spectroscopy (XAS) gives information about the local electronic and geometric structures (e.g.&#160;changes in redox states and bond lengths). In situ experiments carried out on operating cells are particularly useful because they allow direct correlation between the electrochemical and structural properties of the materials. These experiments are time-consuming and can be challenging to design due to the reactivity and air-sensitivity of the alkali metal anodes used in the half-cell configurations, and/or the possibility of signal interference from other cell components and hardware. For these reasons, it is appropriate to carry out ex situ experiments (e.g.&#160;on electrodes harvested from partially charged or cycled cells) in some cases. Here, we present detailed protocols for the preparation of both ex situ and in situ samples for experiments involving synchrotron radiation and demonstrate how these experiments are done.

We describe the use of synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray diffraction (XRD) techniques to probe details of intercalation/deintercalation processes in electrode materials for Li-ion and Na-ion batteries. Both in situ and ex situ experiments are used to understand structural behavior relevant to the operation of devices

Caratterizzazione di materiali per elettrodi per batterie agli ioni sodio e ioni di litio utilizzando tecniche Synchrotron Radiation

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric vehicles.1,2 However, many challenges, such as energy density and battery lifetimes, need to be overcome before this particular battery technology can be widely implemented in such applications.3 This research is challenging, and we outline a method to address these challenges using in situ NPD to probe the crystal structure of electrodes undergoing electrochemical cycling (charge/discharge) in a battery. NPD data help determine the underlying structural mechanism responsible for a range of electrode properties, and this information can direct the development of better electrodes and batteries.
We briefly review six types of battery designs custom-made for NPD experiments and detail the method to construct the &#8216;roll-over&#8217; cell that we have successfully used on the high-intensity NPD instrument, WOMBAT, at the Australian Nuclear Science and Technology Organisation (ANSTO). The design considerations and materials used for cell construction are discussed in conjunction with aspects of the actual in situ NPD experiment and initial directions are presented on how to analyze such complex in situ data.

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

We describe the design and construction of an electrochemical cell for the examination of electrode materials using in situ neutron powder diffraction (NPD). We briefly comment on alternate in situ NPD cell designs and discuss methods for the analysis of the corresponding in situ NPD data produced using this cell.

In Situ Neutron polvere diffrazione Utilizzo su misura agli ioni di litio batterie

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent of lithium-ion batteries, researchers have known that the lithium metal anode has the highest theoretical energy density of any anode material. However, rechargeable batteries containing a lithium metal anode are not widely used in consumer products because the growth of lithium dendrites from the anode upon charging of the battery causes premature cell failure by short circuit. Lithium dendrites can also form in commercial lithium-ion batteries with graphite anodes if they are improperly charged. We demonstrate that lithium dendrite growth can be studied using synchrotron-based hard X-ray microtomography. This non-destructive imaging technique allows researchers to study the growth of lithium dendrites, in addition to other morphological changes inside batteries, and subsequently develop methods to extend battery life.

Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.

Failure Analysis delle batterie a base di sincrotrone Utilizzando raggi X duri microtomografia

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational analysis. Testing of lithium-ion batteries in an academic setting has taken on several forms, but at the most basic level lies the coin cell construction. In traditional LIB electrode preparation, a multi-phase slurry composed of active material, binder, and conductive additive is cast out onto a substrate. An electrode disc can then be punched from the dried sheet and used in the construction of a coin cell for electrochemical evaluation. Utilization of the potential of the active material in a battery is critically dependent on the microstructure of the electrode, as an appropriate distribution of the primary components are crucial to ensuring optimal electrical conductivity, porosity, and tortuosity, such that electrochemical and transport interaction is optimized. Processing steps ranging from the combination of dry powder, wet mixing, and drying can all critically affect multi-phase interactions that influence the microstructure formation. Electrochemical probing necessitates the construction of electrodes and coin cells with the utmost care and precision. This paper aims at providing a step-by-step guide of non-aqueous electrode processing and coin cell construction for lithium-ion batteries within an academic setting and with emphasis on deciphering the influence of drying and calendaring.

Non-aqueous electrode processing is central to the construction of coin cells and the evaluation of new electrode chemistries for lithium-ion batteries. A step-by-step guide to the basic practices needed as an electrochemical engineer working with batteries in an academic experimental setting is furnished.

Non acquoso Processing elettrodi e Costruzione di celle agli ioni di litio Coin

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

In Situ Lithiated Reference Electrode: Four Electrode Design for In-operando Impedance Spectroscopy

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate multiple processes responsible for long-term performance decay. Given the complexity of physical processes occurring inside the cell, it is often challenging to achieve a full understanding of the root causes of this performance degradation. This difficulty arises in part from the fact that any electrochemical measurement of a battery will return the combined contributions of all components in the cell. Incorporation of a reference electrode can solve part of the problem, as it allows the electrochemical reactions of the cathode and the anode to be individually probed. A variation in the voltage range experienced by the cathode, for example, can indicate alterations in the pool of cyclable lithium ions in the full-cell. The structural evolution of the many interphases existing in the battery can also be monitored, by measuring the contributions of each electrode to the overall cell impedance. Such wealth of information amplifies the reach of diagnostic analysis in Li-ion batteries and provides valuable input to the optimization of individual cell components. In this work, we introduce the design of a test cell able to accommodate multiple reference electrodes, and present reference electrodes that are appropriate for each specific type of measurement, detailing the assembly process in order to maximize the accuracy of the experimental results.

The incorporation of reference electrodes in a Li-ion battery provides valuable information to elucidate degradation mechanisms at high voltages. In this article, we present a cell design that accommodates multiple reference electrodes, along with the assembly steps to assure maximum accuracy of the data obtained in electrochemical measurements.

In Situ litiati riferimento elettrodo: Elettrodo quattro Design per spettroscopia di impedenza nel operando

Extending operating voltage of Li-ion batteries results in higher energy output from these devices. High voltages, however, may trigger or accelerate ...

Chimica

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid based on volatile solar and wind sources. The pressing demand of developing high-performance electrochemical energy storage solutions, i.e., batteries, relies on both fundamental understanding and practical developments from both the academy and industry. The formidable challenge of developing successful battery technology stems from the different requirements for different energy-storage applications. Energy density, power, stability, safety, and cost parameters all have to be balanced in batteries to meet the requirements of different applications. Therefore, multiple battery technologies based on different materials and mechanisms need to be developed and optimized. Incisive tools that could directly probe the chemical reactions in various battery materials are becoming critical to advance the field beyond its conventional trial-and-error approach. Here, we present detailed protocols for soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS), soft X-ray emission spectroscopy (sXES), and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) experiments, which are inherently elemental-sensitive probes of the transition-metal 3d and anion 2p states in battery compounds. We provide the details on the experimental techniques and demonstrations revealing the key chemical states in battery materials through these soft X-ray spectroscopy techniques.

Here, we present a protocol for typical experiments of soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) with applications in battery material studies.

Elementale-sensibile alla rilevazione della chimica in batterie attraverso la spettroscopia di assorbimento di raggi x molli e risonante Inelastic x-ray Scattering

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

Preparazione delle cellule di tre elettrodi moneta e Analitica di elettrodeposizione per batterie agli ioni di litio

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Preparation of Graphene Liquid Cells for the Observation of Lithium-ion Battery Material

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between two graphene sheets, and the facile synthesis of one-dimensional nanostructures using electrospinning. The GLC enables in situ transmission electron microscopy (TEM) for the lithiation dynamics of electrode materials. The in situ GLC-TEM using an electron beam for both imaging and lithiation can utilize not only realistic battery electrolytes, but also the high-resolution imaging of various morphological, phase, and interfacial transitions.

Here, we present a protocol for the fabrication and preparation of a graphene liquid cell for in situ transmission electron microscopy observation, along with a synthesis of electrode materials and electrochemical battery cell tests.

Preparazione delle cellule di Graphene liquido per l'osservazione di materiale batteria agli ioni di litio

In this work, we introduce the preparation of graphene liquid cells (GLCs), encapsulating both electrode materials and organic liquid electrolytes between ...