Electrodos de batería de esponja de zinc que suprimen las dendritas

El propósito de los métodos de fabricación reportados es crear electrodos de esponja de zinc (Zn) que supriman la formación de dendritas y el cambio de forma. Históricamente, estos problemas han limitado la vida útil del ciclo de las baterías de Zn. Los electrodos de esponja de zinc han resuelto estos problemas, permitiendo baterías de Zn con ciclos de vida útil más^{largos 1,2,3,4,5,6}. La estructura de la esponja suprime la formación de dendritas y el cambio de forma porque (1) el marco de Zn fusionado conecta eléctricamente todo el volumen de la esponja; (2) los poros contienen zincato cerca de la superficie de la esponja de Zn; y (3) la esponja tiene una alta área de superficie que disminuye la densidad de corriente local por debajo de los valores identificados para brotar dendritas en electrolitos alcalinos⁷. Sin embargo, si el área de superficie de la esponja es demasiado alta, se produce una corrosión sustancial⁵. Si los poros de la esponja son demasiado grandes, la esponja tendrá una capacidad volumétrica baja⁵. Además, si los poros de la esponja son demasiado pequeños, el electrodo de Zn no tendrá suficiente electrolito para acceder a Zn durante la descarga, lo que resulta en una baja potencia y capacidad^{de 5,6}.

La razón detrás de los métodos de fabricación reportados es crear esponjas de Zn con porosidades de esponja y diámetros de poro apropiados. Experimentalmente, encontramos que las esponjas de Zn con porosidades del 50 al 70% y diámetros de poro cercanos a los 10 μm circulan bien en baterías de celda completa y muestran bajas tasas de corrosión⁵. Observamos que los métodos existentes para fabricar espumas metálicas comerciales no logran morfologías similares en estas escalas de longitud^8,por lo que se necesitan los métodos de fabricación informados.

Las ventajas de los métodos reportados aquí sobre las alternativas se caracterizan por el control fino de las características de la esponja y por la capacidad de fabricar esponjas Zn grandes y densas con valores de capacidad areal tecnológicamente relevantes^5,6,9,10. Los métodos alternativos para crear espumas de Zn pueden ser incapaces de crear poros comparables de 10 μm con porosidades de esponja cercanas al 50%. Sin embargo, tales alternativas pueden requerir menos energía para fabricar porque evitan los pasos de procesamiento a alta temperatura. Los procesos alternativos incluyen las siguientes estrategias: sinterización en frío de partículas de Zn^11,depósito de Zn en estructuras huésped tridimensionales^{12,13,14,15,16,17,}corte de lámina de Zn en espumas bidimensionales¹⁸y creación de espumas de Zn a través de la descomposición espinosa¹⁹ o la disolución de percolación^20.

El contexto de los métodos reportados en el cuerpo más amplio de la literatura publicada se establece principalmente por el trabajo de Drillet et al.²¹. Adaptaron los métodos de fabricación de cerámica porosa para crear una de las primeras espumas de Zn tridimensionales, aunque frágiles, para baterías. Estos autores, sin embargo, no pudieron demostrar la recargabilidad, probablemente debido a la mala conectividad entre las partículas de Zn. Antes de los electrodos recargables de esponja de Zn, la mejor alternativa a un electrodo de lámina de Zn era un electrodo de polvo de Zn, en el que el polvo de Zn se mezcla con un electrolito de gel. Los electrodos de zinc-polvo se utilizan comercialmente en baterías alcalinas primarias (Zn-MnO_2),pero tienen poca recargabilidad porque las partículas de Zn pasan por pasivado por óxido de Zn (ZnO), lo que puede aumentar la densidad de corriente local que estimula el crecimiento de la dendrita^3,22. Observamos que existen otras estrategias de supresión de dendritas que no involucran arquitecturas de espuma o esponja^23,24.

Los métodos de fabricación de esponjas de Zn reportados requieren un horno de tubos, fuentes de aire y gas nitrógeno_{(N 2)}y una campana de humos. Todos los pasos se pueden realizar en un escritorio de laboratorio sin control ambiental, pero el escape del horno de tubos durante el tratamiento térmico debe canalizarse a una campana extractora de humos. Los electrodos resultantes son apropiados para aquellos interesados en crear electrodos de Zn recargables capaces de alta capacidad areal (> 10 mAh cm_geo^–2)⁶.

El primer método de fabricación reportado es una ruta basada en emulsión para crear electrodos de esponja de Zn. La segunda, es una ruta de base acuosa. Una ventaja de la ruta de la emulsión es su capacidad para crear pasta de Zn que, cuando se seca, es fácil de demoldar de una cavidad de moho. Una desventaja es su dependencia de materiales caros. Para la ruta acuosa, las preformas de esponja pueden ser difíciles de demoldar, pero este proceso utiliza materiales baratos y abundantes.

Ambos métodos implican mezclar partículas de Zn con un agente porógeno y que mejora la viscosidad. La mezcla resultante se calienta bajo N 2 y_luego respira aire (no aire sintético). Durante el calentamiento bajo N₂, las partículas de Zn anneal y el porógeno se descompone; bajo la respiración de aire, las partículas de Zn recocido se fusionan y el porógeno se quema. Estos procesos producen espumas metálicas o esponjas. Las propiedades mecánicas y electroquímicas de las esponjas de Zn se pueden ajustar variando la relación de masa de Zn a porógeno, el tiempo de calentamiento bajo N₂ y aire, y el tamaño y la forma de las partículas de Zn y porógeno.