Sink-Svamp Batteri Elektroder som undertrykker Dendrites
Summary
Målet med de rapporterte protokollene er å lage oppladbare sinksvampelektroder som undertrykker dendritter og formendring i sinkbatterier, for eksempel nikkel-sink eller sink-luft.
Abstract
Vi rapporterer to metoder for å lage sink-svampelektroder som undertrykker dendritdannelse og formendring for oppladbare sinkbatterier. Begge metodene er preget av å lage en pasta laget av sinkpartikler, organisk porogen og viskositetsforbedrende middel som oppvarmes under en inert gass og deretter luft. Under oppvarming under inertgassen annealerer sinkpartiklene sammen, og porogenet brytes ned; under luft smelter sinken og rester av organiske forbrenninger ut, noe som gir et åpencellet metallskum eller svamp. Vi justerer de mekaniske og elektrokjemiske egenskapene til sinksvampene ved å variere sink-til-porogen masseforhold, oppvarmingstid under inert gass og luft, og størrelse og form på sink- og porogenpartiklene. En fordel med de rapporterte metodene er deres evne til å finjustere sinksvamparkitektur. Den valgte størrelsen og formen på sink- og porogenpartiklene påvirker morfologien til porestrukturen. En begrensning er at resulterende svamper har uordnede porestrukturer som resulterer i lav mekanisk styrke ved lave volumfraksjoner av sink (<30%). Bruksområder for disse sink-svampelektrodene inkluderer batterier for nettlagring, personlig elektronikk, elektriske kjøretøy og elektrisk luftfart. Brukere kan forvente at sink-svampelektroder vil sykle opptil 40% dybde av utslipp til teknologisk relevante priser og arealkapasiteter uten dannelse av separatorpiercing dendritter.
Introduction
Formålet med de rapporterte fabrikasjonsmetodene er å lage sink (Zn) svampelektroder som undertrykker dendritdannelse og formendring. Historisk sett har disse problemene begrenset sykluslevetiden til Zn-batterier. Sink-svamp elektroder har løst disse problemene, slik at Zn batterier med lengre syklus levetid1,2,3,4,5,6. Svampstrukturen undertrykker dendritdannelse og formendring fordi (1) det smeltede Zn-rammeverket elektrisk ledninger hele volumet av svampen; (2) porene holder sink nær Zn-svampoverflaten; og (3) svampen har et høyt overflateareal som reduserer lokal strømtetthet under verdier identifisert for å spire dendritter i alkaliske elektrolytter7. Men hvis svampoverflatearealet er for høyt, oppstår betydelig korrosjon5. Hvis svampporene er for store, vil svampen ha lav volumetrisk kapasitet5. Også, hvis svamp porene er for små, vil Zn-elektroden ha utilstrekkelig elektrolytt for å få tilgang til Zn under utladning, noe som resulterer i lav effekt og kapasitet5,6.
Begrunnelsen bak de rapporterte fabrikasjonsmetodene er å lage Zn svamper med passende svamp porøsiteter og porediameter. Eksperimentelt finner vi at Zn svamper med porøsiteter fra 50 til 70% og porediametre nær 10 μm syklus godt i fullcellebatterier og viser lave korrosjonshastigheter5. Vi merker at eksisterende metoder for å produsere kommersielle metallskum ikke klarer å oppnå lignende morfologier på disse lengdeskalaene8, så de rapporterte fabrikasjonsmetodene er nødvendige.
Fordelene ved metodene som rapporteres her over alternativer er preget av fin kontroll av svampfunksjoner og av evnen til å fremstille store, tette Zn-svamper med teknologisk relevante arealkapasitetsverdier5,6,9,10. Alternative metoder for å lage Zn skum kan være ute av stand til å skape sammenlignbare 10 μm porer med svamp porøsiteter nær 50%. Slike alternativer kan imidlertid kreve mindre energi til å fremstille fordi de unngår behandlingstrinn ved høye temperaturer. Alternative prosesser inkluderer følgende strategier: kald sintring Zn partikler11, deponere Zn på tredimensjonale vertsstrukturer12,13,14,15,16,17, kutte Sn folie i todimensjonale skum18, og lage Sn skum via spinodal dekomponering19 eller percolation oppløsning20.
Konteksten av de rapporterte metodene i den bredere kroppen av den publiserte litteraturen er først og fremst etablert ved arbeid fra Drillet et al.21. De tilpasset metoder for å fremstille porøs keramikk for å skape en av de tidligste rapporterte tredimensjonale, om enn skjøre, Zn-skummet for batterier. Disse forfatterne klarte imidlertid ikke å demonstrere oppladbarhet, sannsynligvis på grunn av den dårlige forbindelsen mellom Zn-partiklene. Før oppladbare Zn-svampelektroder var det beste alternativet til en Zn-folieelektrode en Zn-pulverelektrode, hvor Zn pulver blandes med en gelelektrolytt. Sinkpulverelektroder brukes kommersielt i primære alkaliske batterier (Zn-MnO2), men har dårlig oppladbarhet fordi Zn-partikler blir passivisert av Zn oksid (ZnO), noe som kan øke lokal strømtetthet som sporer dendritvekst3,22. Vi merker at det finnes andre dendrit-undertrykkelsesstrategier som ikke involverer skum- eller svamparkitekturer23,24.
De rapporterte Zn-svamp fabrikasjonsmetodene krever en rørovn, kilder til luft- og nitrogengass (N2) og en avtrekkshette. Alle trinn kan utføres ved et laboratoriebord uten miljøkontroll, men eksos fra rørovnen under varmebehandling skal føres til en avtrekkshette. Resulterende elektroder passer for de som er interessert i å lage oppladbare Zn-elektroder som er i stand til høy arealkapasitet (> 10 mAh cmgeo-2)6.
Den første rapporterte fabrikasjonsmetoden er en emulsjonsbasert rute for å lage Zn-svampelektroder. Den andre er en vandig rute. En fordel med emulsjonsruten er dens evne til å lage Sn-pasta som, når den tørkes, er lett å demold fra et mugghule. En ulempe er dens avhengighet av dyre materialer. For den vandige ruten kan svampforformere være utfordrende å demold, men denne prosessen bruker billige og rikelige materialer.
Begge metodene innebærer blanding av Zn-partikler med et porogen- og viskositetsforbedrende middel. Den resulterende blandingen oppvarmes under N2 og puster deretter luft (ikke syntetisk luft). Under oppvarming under N2, Zn partikler anneal og porogen dekomponerer; under pusteluft smelter de glødede Zn-partiklene sammen og porogenet brenner ut. Disse prosessene gir metallskum eller svamper. De mekaniske og elektrokjemiske egenskapene til Zn svamper kan justeres av varierende Zn-til-porogen masseforhold, oppvarmingstid under N2 og luft, og størrelse og form av Zn og porogen partikler.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modifikasjoner og feilsøking knyttet til disse protokollene inkluderer å fylle den nyblandet Zn-pastaen i et mugghule. Det må utvises forsiktighet for å unngå luftlommer. Uønskede hulrom kan reduseres ved å trykke på formen etter fylling eller under fylling. Fordi den vandige Zn-pastaen er tørr, kan trykket påføres direkte på Zn-pastaen for å skyve ut luftlommer mens du fyller opp mugghulen.
En begrensning av metodene er at Zn-svamp pore struktur er uorden, men Zn og porogen parti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble finansiert av United States Office of Naval Research.
Materials
| Corn starch | Argo | Not applicable | This acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Decane | MilliporeSigma | D901 | |
| Medium viscosity water-soluble carboxymethyl cellulose (CMC) sodium salt | MilliporeSigma | C4888-500G | This CMC acts primarily as a viscosity-enhancing agent. |
| Overhead stirrer | Caframo Lab Solutions | BDC3030 | |
| Small cylindrical models for Zn sponges | VWR | 66014-358 | The caps of the vials can be used as molds. |
| Sodium dodecyl sulfate | MilliporeSigma | 436143 | |
| Water-insoluble IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin | BIOpHORETICS | B45019.01 | This CMC acts as a porogen and viscosity-enhancing agent. |
| Zn powder | EverZinc | Custom order |
Referências
- Parker, J. F., et al. Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).
- Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W. Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance-dendrite-free cycling. Energy & Environmental Science. 7, 1117-1124 (2014).
- Parker, J. F., et al. Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion. Science. 356 (6336), 415-418 (2017).
- Ko, J. S., et al. Robust 3D Zn sponges enable high-power, energy-dense alkaline batteries. ACS Applied Energy Materials. 2 (1), 212-216 (2018).
- Hopkins, B. J., et al. Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells. Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).
- Hopkins, B. J., et al. Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries. Sustainable Energy & Fuels. 4, 3363-3369 (2020).
- Yufit, V., et al. Operando Visualization and Multi-scale Tomography Studies of Dendrite Formation and Dissolution in Zinc Batteries. Joule. 3 (2), 485-502 (2019).
- Ashby, M. F., et al. . Metal Foams: A Design Guide. , (2000).
- Parker, J. F., Ko, J. S., Rolison, D. R., Long, J. W. Translating Materials-Level Performance into Device-Relevant Metrics for Zinc-Based Batteries. Joule. 2 (12), 2519-2527 (2018).
- Hopkins, B. J., Chervin, C. N., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. R. An areal-energy standard to validate air-breathing electrodes for rechargeable zinc-air batteries. Advanced Energy Materials. 10 (30), 2001287 (2020).
- Jayasayee, K., et al. Cold Sintering as a Cost-Effective Process to Manufacture Porous Zinc Electrodes for Rechargeable Zinc-Air Batteries. Processes. 8 (5), 592 (2020).
- Chamoun, M., et al. . NPG Asia Materials. 7, 178 (2015).
- Kang, Z., et al. 3D Porous Copper Skeleton Supported Zinc Anode toward High Capacity and Long Cycle Life Zinc Ion Batteries. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (3), 3364-3371 (2019).
- Yu, J., et al. Ag-Modified Cu Foams as Three-Dimensional Andoes for Rechargeable Zinc-Air Batteries. ACS Applied Nano Materials. 2 (5), 2679-2688 (2019).
- Stumpp, M., et al. Controlled Electrodeposition of Zinc Oxide on Conductive Meshes and Foams Enabling Its Use as Secondary Anode. Journal of The Electrochemical Society. 165 (10), 461-466 (2018).
- Stock, D., et al. Design Strategy for Zinc Anodes with Enhanced Utilization and Retention: Electrodeposited Zinc Oxide on Carbon Mesh Protected by Ionomeric Layers. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5579-5588 (2018).
- Li, C., et al. Spatially homogeneous copper foam as surface dendrite-free host for zinc metal anode. Chemical Engineering Journal. 379, 122248 (2020).
- Zhou, Z., et al. Graphene oxide-modified zinc anode for rechargeable aqueous batteries. Chemical Engineering Science. 194, 142-147 (2019).
- McDevitt, K. M., Mumm, D. R., Mohraz, A. Improving Cyclability of ZnO Electrodes through Microstructural Design. ACS Applied Energy Materials. 2 (11), 8107-8117 (2019).
- Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries. ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).
- Drillet, J. F., et al. Development of a Novel Zinc/Air Fuel Cell with a Zn Foam Anode, a PVA/KOH Membrane and a MnO2/SiOC-based Air Cathode. ECS Transactions. 28, 13-24 (2010).
- Bozzini, B., et al. Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography. ACS Applied Energy Materials. , (2020).
- Yang, Q., et al. Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries. Advanced Materials. 31, 1903778 (2019).
- Yang, Q., et al. Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes. Advanced Materials. 32, 2001755 (2020).
- Narayanan, S. R., et al. Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron-air batteries for large-scale energy storage. Solid State Ionics. 216, 105-109 (2012).
- Xiong, H., et al. Effects of Heat Treatment on the Discharge Behavior of Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn Alloy as Anode for Magnesium-Air Batteries. Journal of Materials Engineering and Performance. 26, 2901-2911 (2017).
- Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement. Science. 362, 658-661 (2018).
- Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R. High-Performance Structural Batteries. Joule. , (2020).
