Name: zinc-sponge battery electrodes that suppress dendrites
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
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Diese Forschung wurde vom United States Office of Naval Research finanziert.

1. Eine emulsionsbasierte Methode zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden
<ol><li>Fügen Sie 2.054 ml entionisiertes Wasser zu einem 100 ml Glasbecher hinzu.</li>
	<li>Fügen Sie 4.565 ml Decan in das Becherglas hinzu.</li>
	<li>0,1000 ± 0,0003 g Natriumdodecylsulfat (SDS) bis zum Auflösen unterrühren.</li>
	<li>0,0050 ± 0,0003 g wasserlösliches mittelviskoses Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz 5 min oder bis das CMC vollständig gelöst ist, von Hand einrühren. HINWEIS: Verwenden Sie kunststoff- oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge. Das Rühren mit Werkzeugen mit metallischer Oberfläche kann sich nachteilig auf die resultierenden Zn-Schwämme auswirken.</li>
	<li>0,844 ± 0,002 g wasserunlösliches vorgeschwollenes Carboxymethylcelluloseharz unterrühren. HINWEIS: Diese Art von wasserunlöslichem Harz ist teuer (USD $ 420 kg-1)6.</li>
	<li>Rühren Sie diese Mischung bei 1.000 U / min für 5 min mit einem Überkopf-Paddelrührer, der mit einem Kunststoffpaddel ausgestattet ist.</li>
	<li>Gießen Sie 50 g Zn-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße von 50 μm, enthält 307 ppm Wismut und 307 ppm Indium zur Korrosionsunterdrückung) in das Becherglas, während sich der Überkopfrührer mit 1.000 U / min weiter dreht.</li>
	<li>Rühren Sie die Zn-Paste für weitere 5 Minuten mit der gleichen Geschwindigkeit, 1.000 U / min weiter.</li>
	<li>Stoppen Sie den Rührer, entfernen Sie das Becherglas undgasen Sie die Mischung aus, indem Sie das Becherglas und seinen Inhalt für 5 min in einem Absauger bei Raumtemperatur unter Vakuum stellen.</li>
	<li>Die Zn-Paste in Polypropylenformen (~10 mm Durchmesser und ~5 mm Höhe) portionieren und über Nacht im Freien trocknen lassen. Die Form der Form bestimmt die Form der getrockneten Paste und der resultierenden Zn-Schwämme. HINWEIS: Formgröße und -form können variieren. Frühere Experimente5 verwenden erfolgreich zylindrische Formen mit Durchmessern nahe 10 mm. Füllen Sie die Zn-Paste bis zu einer Höhe von 5 mm oder weniger. Je kürzer die Höhe, desto kürzer die erforderliche Trocknungszeit. Siehe Materialtabelle für handelsübliche Formen.</li>
	<li>Entfernen Sie vorsichtig die getrockneten Zn-Paste-Preforms aus den Formen und legen Sie sie in ein Netzgehäuse, das auf einem gekerbten Aluminiumoxidhalter5,6 aufliegt. HINWEIS: Stellen Sie ein Netzgehäuse her, indem Sie beispielsweise eine perforierte Messingplatte in einen Zylinder mit einem Durchmesser biegen, der etwas größer ist als der gewünschte Durchmesser der Zn-Schwammelektrode. Besprühen Sie das Lochblech nach dem Biegen in eine gewünschte Form mit Bornitrid-Schmiermittel.</li>
	<li>Legen Sie die Baugruppe in einen Rohrofen (67 mm Durchmesser) mit Anschlüssen, um Gas in und aus dem Rohr zu fließen. HINWEIS: Verwenden Sie einen Anschluss (den Eingangsanschluss), um Gas in den Ofen zu leiten. Verwenden Sie den anderen (den Ausgangsanschluss), um Gas aus dem Rohrofen in einen Abzug abzulassen.</li>
	<li>Rohr N2 Gas in den Ofen für 30 min mit einer Geschwindigkeit von 5,7 cm∙min-1, um den Ofen von Luft zu reinigen. HINWEIS: Schritt 1.13 kann erreicht werden, indem ein Tank mit N2-Gas mit einem digital gesteuerten Durchflussmesser an ein Rohr angeschlossen wird, das mit einem der Eingangsöffnungen verbunden ist. Gasdurchflussmesser können manuell oder von einem Computer gesteuert werden.</li>
	<li>Drosseln Sie dasN2-Gas nach der 30-minütigen Spülung auf eine konstante Rate von2,8 cm∙min –1.</li>
	<li>Programmieren Sie den Ofen so, dass die Temperatur linear von 20 auf 369 °C im Laufe von 68 min erhöht wird, halten Sie ihn bei 369 °C für 5 h, steigen Sie linear von 369 auf 584 °C über 105 min an und schalten Sie ihn dann aus.</li>
	<li>Starten Sie das Ofenprogramm, während dasN2-Gas weiter fließt.</li>
	<li>Stoppen Sie manuellden N2-Gasstrom nach dem 5 h Temperaturhalt und leiten Sie die Atemluft bei 2,8 cm∙min–1ein. HINWEIS: Schritt 1.17 kann erreicht werden, indem ein Tank mit Atemluft (nicht synthetische Luft) mit einem digital gesteuerten Durchflussmesser an ein Rohr angeschlossen wird, das mit einem zusätzlichen Eingangsanschluss verbunden ist.</li>
	<li>Sobald das Heizprogramm aufhört, lassen Sie den Ofen ohne aktive Kühlung auf Raumtemperatur abkühlen, aber halten Sie die Atemluft fließen.</li>
	<li>Entfernen Sie die abgekühlten Zn-Schwämme und sägen Sie sie und/oder schleifen Sie sie auf die gewünschten Maße. HINWEIS: Eine Vielzahl von Sägewerkzeugen kann verwendet werden, z. B. Handdrehsägen oder vertikale Bandsägen. Abrasive oder Diamantklingen sind geeignet.</li>
</ol>2. Eine wässrige Methode zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden
<ol><li>Fügen Sie 10,5 ml entionisiertes Wasser zu einem 100-ml-Glasbecher hinzu.</li>
	<li>0,120 ± 0,001 g wasserlösliches hochviskoses Cellulosegummi, auch bekannt als Carboxymethylcellulose (CMC)-Natriumsalz, einrühren. HINWEIS: Verwenden Sie kunststoff- oder kunststoffbeschichtete Rührwerkzeuge. Das Rühren mit Werkzeugen mit metallischer Oberfläche kann sich nachteilig auf die resultierenden Zn-Schwämme auswirken.</li>
	<li>Wirbeln Sie diese Mischung vor und rühren Sie diese Mischung von Hand für 5 min oder bis das CMC gelöst ist.</li>
	<li>2.400 ± 0,001 g Maisstärke unter Vortexing für weitere 2 min unterrühren.</li>
	<li>120,00 ± 0,01 g Zn-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße von 50 μm, 307 ppm Wismut und 307 ppm Indium zur Korrosionsunterdrückung) während des Wirbels für weitere 2 min unterrühren.</li>
	<li>Drücken Sie die resultierende Zn-Paste in die gewünschten Formhohlräume. HINWEIS: Formgröße und -form können variieren. Frühere Experimente6 verwenden erfolgreich zylindrische Formen mit Durchmessern nahe 10 mm. Füllen Sie die Zn-Paste bis zu einer Höhe von 50 mm oder weniger. Die wässrige Zn-Paste ist trockener als die Emulsions-Zn-Paste, so dass die wässrige Version verwendet werden kann, um größere Schwämme herzustellen, die weniger Trocknungszeit benötigen. Je kürzer die Höhe, desto kürzer die erforderliche Trocknungszeit. Die Form muss sich in zwei Hälften teilen können, da sich die wässrige Zn-Paste nach dem Trocknen im Gegensatz zur Emulsions-Zn-Paste minimal zusammenzieht. Ungesalzene Butter kann verwendet werden, um die Formen vor dem Pressen in die wässrige Zn-Paste zu schmieren, um die Entformung zu unterstützen. Abbildung 1A zeigt die kundenspezifisch bearbeiteten Formen, die mit Zn-Paste nach dem wässrigen Protokoll verpackt sind. Abbildung 1B zeigt das handgefertigte Netzgehäuse, den gekerbten Aluminiumoxidhalter und den resultierenden Zn-Schwamm, der nach der wässrigen Methode hergestellt wurde.</li>
	<li>Lassen Sie die mit Zn-Paste gefüllten Formen über Nacht bei 70 °C im Freien in einem Ofen trocknen.</li>
	<li>Befolgen Sie die gleichen Handhabungs- und Wärmebehandlungsschritte (1.11–1.19), die für das emulsionsbasierte Verfahren beschrieben sind.</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. 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J.F.P., D.R.R. und J.W.L. halten Patente im Zusammenhang mit Zinkelektroden: US-Patente Nr. 9802254, 10008711, 10720635 und 10763500, EU-Patent Nr. 2926395 und China-Patent Nr. 104813521.

Zu den Änderungen und fehlerbehebungen im Zusammenhang mit diesen Protokollen gehört das Füllen der frisch gemischten Zn-Paste in einen Formhohlraum. Es sollte darauf geachtet werden, Lufteinschlüsse zu vermeiden. Unerwünschte Hohlräume können durch Klopfen der Form nach dem Befüllen oder beim Befüllen verringert werden. Da die wässrige Zn-Paste trocken ist, kann Druck direkt auf die Zn-Paste ausgeübt werden, um Lufteinschlüsse auszudrücken und gleichzeitig den Formhohlraum zu füllen.
Eine Einschränkung der Methoden besteht darin, dass die Porenstruktur des Zn-Schwamms ungeordnet ist, aber die Partikelgrößen Zn und Porogen können verwendet werden, um die Porenmorphologie zu verändern. Ein geordneterer und potenziell stärkerer und leichterer Zn-Schwamm kann mit additiver Fertigung hergestellt werden. Die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der resultierenden Zn-Schwämme können jedoch durch variierendes Zn-zu-Porogen-Massenverhältnis und die Größe und Form der Zn- und Porogenpartikel5,6abgestimmt werden. Eine weitere mögliche Einschränkung ist, dass die getrocknete Zn-Paste zerbrechlich sein kann, so dass die Übertragung in ein Netzgehäuse eine Herausforderung darstellen und die Zn-Schwammgröße begrenzen kann.
Die Bedeutung dieser Methoden gegenüber bestehenden Methoden besteht darin, dass resultierende Zn-Schwämme eine lange Lebensdauer mit hohen volumetrischen und arealen Kapazitäten erreichen5,6. Resultierende Zn-Schwämme sind auch mechanisch robust5,6.
Zukünftige Anwendungen der Verfahren könnten prinzipiell angepasst werden, um andere Metallschäume für Batterien oder andere Anwendungen herzustellen. Beispielsweise können Eisen-, Magnesium- oder Aluminiumschäume als Anoden für Metall-Luft-Batterien25,26,27nützlich sein. Insbesondere Zn-Schwammelektroden können verwendet werden, um Batterien für eine Reihe von Anwendungen herzustellen, darunter Wearables, Netzspeicher, persönliche Elektronik, Elektrofahrzeuge und elektrische Luftfahrt28.
Ein kritischer Schritt, der auch Änderungen oder Fehlerbehebungen erfordern kann, ist der Erwärmungsprozess. Die Ofentemperaturen können variieren. Die Aufheizzeit unterN2, nahe aber unterhalb des Schmelzpunktes von Zn, glüht die Zn-Partikel zusammen. Die Aufheizzeit unter Luft verbrennt das Restporogen, verschmilzt das Zn und bildet eine ZnO-Schicht. Wenn die Zn-Partikel unsachgemäß zu verschmelzen scheinen, erhöhen Sie die Aufheizzeit unterN2. Wenn die ZnO-Schicht zu dick ist, verringern Sie die Aufheizzeit unter Luft um 10 min oder mehr, bis die gewünschte Dicke des Thermischen Oxids erreicht ist.
Wir stellen fest, dass eine dicke Schicht ZnO die mechanischen Eigenschaften des Zn-Schwamms verbessert, aber auch die sofort nutzbare Kapazität der Zn-Elektrode verringert. Die Zn-Elektrode kann durch elektrochemische Umwandlung von ZnO in metallisches Zn aufgeladen werden. Ein stabiler Zyklus bei 40% Entladetiefe kann jedoch ohne Vorladung erreicht werden5. Ist die ZnO-Schicht zu dünn, kann der Zn-Schwamm beim Handling5zerbröckeln.

Der Zweck der berichteten Herstellungsmethoden besteht darin, Zink (Zn) Schwammelektroden herzustellen, die die Dendritenbildung und Formänderung unterdrücken. In der Vergangenheit haben diese Probleme die Lebensdauer von Zn-Batterien eingeschränkt. Zinkschwammelektroden haben diese Probleme gelöst und ermöglichen Zn-Batterien mit längeren Zykluslebensdauern1,2,3,4,5,6. Die Schwammstruktur unterdrückt dendritenbildung und Formänderung, da (1) das verschmolzene Zn-Gerüst das gesamte Volumen des Schwamms elektrisch verdrahtet; (2) die Poren enthalten Zinkat in der Nähe der Zn-Schwammoberfläche; und (3) der Schwamm eine hohe Oberfläche hat, die die lokale Stromdichte unter die Werte verringert, die als Keimdendriten in alkalischen Elektrolyten identifiziert wurden7. Wenn die Schwammoberfläche jedoch zu hoch ist, tritt erhebliche Korrosion auf5. Wenn die Schwammporen zu groß sind, hat der Schwamm eine geringe volumetrische Kapazität5. Wenn die Schwammporen zu klein sind, hat die Zn-Elektrode nicht genügend Elektrolyt, um während der Entladung auf Zn zuzugreifen, was zu einer geringen Leistung und Kapazitätführt 5,6.
Die Begründung für die berichteten Herstellungsmethoden besteht darin, Zn-Schwämme mit geeigneten Schwammporositäten und Porendurchmessern herzustellen. Experimentell stellen wir fest, dass Zn-Schwämme mit Porositäten von 50 bis 70% und Porendurchmessern nahe 10 μm in Vollzellenbatterien gut durchlaufen und niedrige Korrosionsraten aufweisen5. Wir stellen fest, dass bestehende Methoden zur Herstellung kommerzieller Metallschäume keine ähnlichen Morphologien auf diesen Längenskalenerreichen 8, so dass die berichteten Herstellungsmethoden erforderlich sind.
Die Vorteile der hier berichteten Verfahren gegenüber Alternativen zeichnen sich durch eine Feinkontrolle der Schwammeigenschaften und durch die Fähigkeit aus, große, dichte Zn-Schwämme mit technologisch relevanten Arealkapazitätswerten5,6,9,10herzustellen . Alternative Methoden zur Herstellung von Zn-Schäumen sind möglicherweise nicht in der Lage, vergleichbare 10-μm-Poren mit Schwammporositäten nahe 50% zu erzeugen. Solche Alternativen benötigen jedoch möglicherweise weniger Energie für die Herstellung, da sie Hochtemperaturverarbeitungsschritte vermeiden. Alternative Verfahren umfassen folgende Strategien: Kaltsintern von Zn-Partikeln11, Abscheiden von Zn auf dreidimensionalen Wirtsstrukturen12,13,14,15,16,17 , Schneiden von Zn-Folie in zweidimensionale Schäume18und Erzeugen von Zn-Schäumen durch Spinodalzersetzung19 oder Perkolationsauflösung20.
Der Kontext der berichteten Methoden im weiteren Teil der veröffentlichten Literatur wird in erster Linie durch Arbeiten von Drillet et al.21ermittelt. Sie adaptierten Methoden zur Herstellung poröser Keramik, um einen der frühesten berichteten dreidimensionalen, wenn auch zerbrechlichen Zn-Schäume für Batterien herzustellen. Diese Autoren konnten jedoch keine Wiederaufladbarkeit nachweisen, wahrscheinlich wegen der schlechten Konnektivität zwischen den Zn-Partikeln. Vor wiederaufladbaren Zn-Schwammelektroden war die beste Alternative zu einer Zn-Folienelektrode eine Zn-Pulverelektrode, bei der Zn-Pulver mit einem Gelelektrolyten gemischt wird. Zinkpulverelektroden werden kommerziell in primären Alkalibatterien (Zn-MnO2) verwendet, haben jedoch eine schlechte Wiederaufladbarkeit, da Zn-Partikel durch Zn-Oxid (ZnO) passiviert werden, was die lokale Stromdichte erhöhen kann, die das Dendritenwachstum antreibt3,22. Wir stellen fest, dass es andere Dendritenunterdrückungsstrategien gibt, die keine Schaum- oder Schwammarchitekturen beinhalten23,24.
Die berichteten Zn-Schwamm-Herstellungsmethoden erfordern einen Rohrofen, Luft- und Stickstoffgasquellen (N2)und einen Abzug. Alle Schritte können an einem Labortisch ohne Umgebungskontrolle durchgeführt werden, aber der Auspuff aus dem Rohrofen während der Wärmebehandlung sollte in einen Abzug geleitet werden. Die resultierenden Elektroden eignen sich für diejenigen, die daran interessiert sind, wiederaufladbare Zn-Elektroden zu schaffen, die eine hohe räumliche Kapazität (> 10 mAh cmgeo-2)6 haben.
Die erste berichtete Herstellungsmethode ist ein emulsionsbasierter Weg zur Herstellung von Zn-Schwammelektroden. Die zweite ist eine wässrige Route. Ein Vorteil des Emulsionsweges ist seine Fähigkeit, Zn-Paste herzustellen, die, wenn sie getrocknet wird, leicht aus einem Schimmelpilzhohlraum entformt werden kann. Ein Nachteil ist die Abhängigkeit von teuren Materialien. Für den wässrigen Weg können Schwammvorformen schwierig zu entformen sein, aber dieser Prozess verwendet kostengünstige und reichlich vorhandene Materialien.
Beide Verfahren beinhalten das Mischen von Zn-Partikeln mit einem porogenen und viskositätssteigernden Mittel. Das resultierende Gemisch wird unterN2 erhitzt und dann Atemluft (nicht synthetische Luft). Beim Erhitzen unterN2glühen die Zn-Partikel und das Porogen zersetzt sich; unter Atemluft verschmelzen die geglühten Zn-Partikel und das Porogen brennt aus. Bei diesen Prozessen ergeben sich Metallschäume oder Schwämme. Die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Zn-Schwämme können durch Variation des Zn-zu-Porogen-Massenverhältnisses, der Aufheizzeit unterN2 und Luft sowie der Größe und Form der Zn- und Porogenpartikel abgestimmt werden.

<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

Wir berichten über zwei Methoden zur Herstellung von Zinkschwammelektroden, die die Dendritenbildung und Formänderung für wiederaufladbare Zinkbatterien unterdrücken. Beide Verfahren zeichnen sich durch die Herstellung einer Paste aus Zinkpartikeln, organischem Porogen und viskositätssteigerndem Mittel aus, die unter einem Inertgas und dann unter Luft erhitzt wird. Während der Erwärmung unter dem Inertgas glühen die Zinkpartikel zusammen und das Porogen zersetzt sich; Unter Luft verschmilzt das Zink und organische Reste brennen aus, wodurch ein offenzelliger Metallschaum oder Schwamm ergibt. Wir stimmen die mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften der Zinkschwämme ab, indem wir das Zink-Porogen-Massenverhältnis, die Aufheizzeit unter Inertgas und Luft sowie die Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel variieren. Ein Vorteil der berichteten Methoden ist ihre Fähigkeit, die Zink-Schwamm-Architektur fein abzustimmen. Die gewählte Größe und Form der Zink- und Porogenpartikel beeinflusst die Morphologie der Porenstruktur. Eine Einschränkung besteht darin, dass resultierende Schwämme ungeordnete Porenstrukturen aufweisen, die zu einer geringen mechanischen Festigkeit bei Zinkanteilen mit geringem Volumen führen (<30%). Zu den Anwendungen für diese Zinkschwammelektroden gehören Batterien für Netzspeicher, persönliche Elektronik, Elektrofahrzeuge und elektrische Luftfahrt. Anwender können erwarten, dass Zinkschwammelektroden bis zu 40% Entladungstiefe bei technologisch relevanten Raten und arealen Kapazitäten ohne die Bildung von separatordurchdringenden Dendriten durchlaufen.

Resultierende, vollständig wärmebehandelte, emulsionsbasierte Zn-Schwämme haben Dichten von 2,8 g∙cm–3, während wässrige Schwämme sich 3,3 g∙cm–3 nähern. Beim Erhitzen unter Luft bildet sich auf den Zn-Oberflächen eine Schicht ZnO, die eine Dicke von 0,5–1,0 μm haben sollte (beobachtet mit Rasterelektronenmikroskopie)5. Der Feststoff in den resultierenden Schwämmen sollte 72% Zn (Emulsionsversion) oder 78% Zn (wässrige Version) sein, wobei der Rest ZnO (gemessen durch Röntgenbeugung)6ist. Beide Schwämme sollten Porositäten nahe 50%, Porendurchmesserverteilungen zentriert auf 10 μm und spezifische Oberflächen von 4,0 m2∙g–1 (gemessen mittels Quecksilber-Intrusionsporosimetrie)6aufweisen. Die Zugfestigkeit beider Schwämme sollte 1,1–1,2 MPa (gemessen mit diametraler Kompression)5,6 sein. Wir beachten, dass die Schwämme starr und spröde sein sollten. Die Querschnitte der Zn-Schwämme sollten den in Abbildung 2A,Bdargestellten ähneln. Wenn alle Eigenschaften der hergestellten Schwämme in die angegebenen Bereiche fallen, ist das Ergebnis positiv; Wenn nicht, ist das Ergebnis negativ.
Mit den angegebenen Eigenschaften fahren Zn-Schwämme gut in richtig konstruierten Batterien. Ihre Leistung hängt auch von der Gegenelektrode, dem Elektrolyten, dem Separator und der Zellkonstruktion ab. Der Aufbau zuverlässiger Vollzellen würde den Rahmen dieses Papiers sprengen. Um die elektrochemische Validität von Zn-Schwämmen zu testen, empfehlen wir die Gewinnung kommerzieller Gegenelektroden aus Nickel-Metallhydrid-Batterien5,6. Forme einen Zn-Schwamm mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,5 mm. Zyklus dieses Schwammes bei 20 mA∙cmgeo-2 (geometrische Fläche) für die Entladung und 10 mA∙cmgeo–2 für die Ladung in einer Nickel-Zink-Zelle, wie in der Literatur5beschrieben. Unter der Annahme einer geeigneten Konstruktion sollte die Zn-Schwammelektrode eine Zyklenstabilität bei einer gravimetrischen Kapazität von 328 mA∙h∙gSchwamm-1 (pro Gramm ZnO@Zn-Schwammelektrode) aufweisen, wie in Abbildung 2Cgezeigt, die 43% Entladungstiefe abstellt (der Quotient der gravimetrischen Entladungskapazität in Bezug auf jedes Atom von Zn in der Elektrode dividiert durch die theoretische gravimetrische Kapazität von Zn). Nach ausgedehntem Zyklus werden keine Dendriten durch Rasterelektronenmikroskopie beobachtet (Abbildung 3). Die Röntgenbeugung kann verwendet werden, um den Ladezustand der Zn-Schwammelektrode durch Überwachung der Zn- und ZnO-Reflexionen zu verfolgen1. Wir stellen fest, dass die Oberfläche des Zn-Schwamms während des Radfahrens einer Umstrukturierung unterzogen wird. Je tiefer der Grad der Entladung und je größer die Zykluslebensdauer, desto größer ist der Umfang derUmstrukturierung 5. Diese Faktoren tragen zu dem unterschiedenen Oberflächenmorphologie bei, der in Abbildung 3A,Bdargestellt ist. Wenn diese wiederaufladbare Kapazität erreicht wird, ist das Ergebnis positiv; Wenn nicht, ist das Ergebnis negativ und könnte entweder durch den Zn-Schwamm, eine schlechte Zellkonstruktion oder das Versagen anderer Zellkomponenten verursacht werden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig01.jpg"> Abbildung 1: Zinkschwämme vor und nach der Wärmebehandlung mit der wässrigen Methode. (A) Foto von speziell bearbeiteten Formen aus Delrin oder Polyoxymethylen (POM), das vor dem Erhitzen mit Zn-Paste verpackt wird. (B) Foto des handgefertigten Netzgehäuses, des gekerbten Aluminiumoxidhalters und des resultierenden Zn-Schwamms nach der Wärmebehandlung. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig02.jpg"> Abbildung 2: Zinkschwammmorphologie und elektrochemische Leistung. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen vonZn-Schwamm auf Emulsionsbasis mit Querschnitt und(B)wässrigem Zn-Schwamm auf Basis. (C)Spannung versus Zeit eines emulsionsbasierten Schwamms, der in einer Nickel-Zink-Zelle zyklischt, bei 20 mA∙cmgeo–2 entladen und mit 10 mA∙cmgeo–2 mit einer gravimetrischen Kapazität von 328 mA∙h∙gSchwamm–1geladen wird. Daten angepasst von Hopkins et al.5,6. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig03.jpg"> Abbildung 3: Zinkschwammelektroden unterdrücken die Dendritenbildung. Emulsionsbasierter Zn-Schwamm (A) vor und (B) nach elektrochemischem Zyklus. Daten angepasst von Hopkins et al.5. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

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Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

Das Ziel der berichteten Protokolle ist es, wiederaufladbare Zinkschwammelektroden zu schaffen, die Dendriten und Formveränderungen in Zinkbatterien wie Nickel-Zink oder Zink-Luft unterdrücken.

Zink-Schwamm-Batterieelektroden, die Dendriten unterdrücken

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

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

4.3K Aufrufe.  U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States. Das Ziel der berichteten Protokolle ist es, wiederaufladbare Zinkschwammelektroden zu schaffen, die Dendriten und Formveränderungen in Zinkbatterien wie Nickel-Zink oder Zink-Luft unterdrücken.

Serie: Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

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.

Bau und Erprobung von Knopfzellen von Lithium Ionen Batterien

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Herstellung von VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cells für Elektrochemische 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

Charakterisierung von Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen und Natrium-Ionen-Batterien mit Synchrotronstrahlung Techniken

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 Neutronenpulver Mit Maßgeschneiderte Lithium-Ionen-Batterien

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.

Fehleranalyse von Batterien unter Verwendung Synchrotron-basierte Feströntgenmikrotomographie

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.

Nicht-wässrige Elektroden-Verarbeitung und Bau von Lithium-Ionen-Knopfzellen

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 Lithiated Referenzelektrode: Vier Elektrodenkonstruktion bei Operando Impedanz Spektroskopie

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

Chemie

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.

Elementar-Sensitive Detektion der Chemie in Batterien durch weiche Röntgenabsorptionsspektroskopie und resonanten unelastische Röntgenstreuung

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.

Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien

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.

Vorbereitung des Graphen Flüssigkeit Zellen für die Beobachtung von Lithium-Ionen-Batterie Material

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