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. 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. 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.
<p class="j...

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

4.2K 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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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.

Riduttiva elettropolimerizzazione di un Poly-piridil Complex-vinile contenente on Glassy carbonio e fluoro-drogato Tin Oxide Elettrodi

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

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Chimica

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 colorimetrico metodo che misura particolare Granzyme B proteolitici attività: idrolisi di 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.

Partizionamento metallo-silicato ad alta pressione e temperatura: metodi sperimentali e un protocollo per sopprimere altamente Siderophile Element Inclusioni

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 protocollo per elettrochimici valutazioni e stato di carica della diagnostica di un Redox flusso batteria simmetrica Organic

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.

Metodi semplici per la preparazione di elettrodi di metallo non nobili per applicazioni elettrocatalitiche

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.

Fabbricazione di elettrodi a pellicola d'argento/argento con cloruro d'argento a livello singolo finemente controllato

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.