Name: zinc-sponge battery electrodes that suppress dendrites
Uploaded: 2020-09-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites at JoVE.com

이 연구는 미국 해군 연구국에 의해 지원되었다.

1. Zn 스폰지 전극을 만드는 에멀젼 기반 방법
<ol><li>100mL 유리 비커에 2.054mL의 탈온화된 물을 넣습니다.</li>
	<li>비커에 4.565 mL의 디칸을 추가합니다.</li>
	<li>0.1000 ± 0.0003 g의 나트륨 도데킬 황산염(SDS)을 녹일 때까지 저어줍니다.</li>
	<li>0.0050 ± 0.0003 g의 수용성 중점성 카르복티메틸 셀룰로오스(CMC) 나트륨 소금을 5분 간 또는 CMC가 완전히 용해될 때까지 저어줍니다. 참고: 플라스틱 또는 플라스틱 코팅 교반 도구를 사용합니다. 금속 표면으로 공구로 교반하면 Zn 스폰지에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.</li>
	<li>0.844 ± 0.002 g의 수불 불용성 프리스멜렌 카박스티메틸 셀룰로오스 수지를 넣고 저어줍니다. 참고: 이러한 유형의 용해성 수지는 비쌉니다(USD$420 kg-1)6.</li>
	<li>이 혼합물을 1,000rpm에서 5분 간 저은 후륜위에 플라스틱 패들 이드러를 장착했습니다.</li>
	<li>50g의 Zn 분말(평균 입자 크기 50 μm, 비스무트 307ppm, 부식 억제용 인듐 307 ppm 포함)을 비커에 붓고 오버헤드 교반기는 1,000rpm에서 계속 회전합니다.</li>
	<li>Zn 페이스트를 같은 속도로 5분 더 저어주며 1,000rpm을 추가로 저어줍니다.</li>
	<li>교반기는 비커를 제거하고, 비커와 그 내용자를 실온에서 건조기에서 5분 동안 진공 아래에 배치하여 혼합물을 제거합니다.</li>
	<li>Zn 페이스트를 폴리프로필렌 몰드(직경 10mm, 높이 ~5mm)에 넣고 밤새 야외에서 건조시키십시오. 금형의 모양은 말린 페이스트와 생성된 Zn 스폰지의 형태를 지시합니다. 참고: 금형 크기와 모양은 다를 수 있습니다. 과거 실험5는 직경이 10mm에 가까운 원통형 금형을 성공적으로 사용합니다. Zn 페이스트를 높이5mm 이하로 채웁니다. 높이가 짧을수록 건조 시간이 짧아지립니다. 상용 금형의 재료 표를 참조하십시오.</li>
	<li>조심스럽게 금형에서 말린 Zn 페이스트 p개혁을 제거하고 노치 알루미나 홀더5,6에놓여 있는 메쉬 케이스에 넣습니다. 참고: 예를 들어 천공 황동 시트를 Zn-스폰지 전극의 원하는 직경보다 약간 큰 직경의 실린더로 구부려 메쉬 케이스를 제작합니다. 천공 금속 시트를 원하는 모양으로 구부린 후 붕소 -nitride 윤활유로 스프레이하십시오.</li>
	<li>조립을 튜브 용광로(직경 67mm)에 넣고 튜브 안팎에서 가스를 흐르십시오. 참고: 한 포트(입구 포트)를 사용하여 가스를 용광로로 파이프합니다. 다른 (출구 포트)를 사용하여 튜브 용광로에서 가스를 연기 후드로 배출합니다.</li>
	<li>파이프 N2 가스를 용광로로 들어가면 5.7cm의 속도로 30분 동안침투하여 공기 용광로를 제거합니다. 참고: 1.13 단계는N2 가스 탱크를 디지털 제어 유량계와 입구 포트 중 하나에 연결된 튜브에 연결하여 달성 될 수 있습니다. 가스 유량 계는 수동으로 또는 컴퓨터에 의해 제어할 수 있습니다.</li>
	<li>N2 가스를 30분 제거 후 2.8cm+분–1의 일정한 속도로 스로틀.</li>
	<li>68분 동안 20내지 369°C의 온도를 선형적으로 높이고, 5시간 동안 369°C에서 유지하며, 105분 동안 369~584°C로 선형으로 상승한 후 해제한다.</li>
	<li>N2 가스가 계속 흐르는 동안 용광로 프로그램을 시작합니다.</li>
	<li>수동으로 N2-가스 흐름을 중지 한 후 5 h 온도 홀드 및 파이프 호흡 공기에 2.8 cmcmcm+min-1. 참고: 1.17 단계는 추가 입구 포트에 연결된 튜브에 디지털 제어 유량계와 호흡 공기(합성 공기가 아님)를 연결하여 달성될 수 있다.</li>
	<li>가열 프로그램이 중단되면, 용광로는 활성 냉각없이 실온으로 냉각시키지 만 호흡 공기가 흐르는 것을 유지하십시오.</li>
	<li>냉각 된 Zn 스폰지를 제거하고 원하는 치수로 모래를 보았습니다. 참고: 휴대용 회전 톱이나 수직 대역 톱과 같은 다양한 톱질 도구를 사용할 수 있습니다. 연마 또는 다이아몬드 블레이드가 적합합니다.</li>
</ol>2. Zn 스폰지 전극을 만드는 수성 기반 방법
<ol><li>100mL 유리 비커에 10.5mL의 탈온화된 물을 넣습니다.</li>
	<li>0.120 ± 0.001 g의 수용성 고점도 셀룰로오스 껌을 저어주며, 카복티메틸 셀룰로오스(CMC) 나트륨 소금이라고도 합니다. 참고: 플라스틱 또는 플라스틱 코팅 교반 도구를 사용합니다. 금속 표면으로 공구로 교반하면 Zn 스폰지에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.</li>
	<li>소용돌이와 CMC가 용해 될 때까지 손으로 이 혼합물을 저어줍니다.</li>
	<li>2.400 ± 옥수수 전분 0.001 g를 넣고 2분 더 저어줍니다.</li>
	<li>120.00 ± 0.01 g의 Zn 분말(평균 입자 크기 50 μm, 비스무트 307ppm, 부식 억제를 위한 인듐 307 ppm 포함)을 추가로 2분 동안 저어줍니다.</li>
	<li>생성된 Zn 붙여넣기를 원하는 금형 캐비티로 누릅니다. 참고: 금형 크기와 모양은 다를 수 있습니다. 과거 실험6은 직경이 10mm에 가까운 원통형 금형을 성공적으로 사용합니다. Zn 페이스트를 높이50mm 이하로 채웁니다. 수성 Zn 페이스트는 에멀젼 Zn 페이스트보다 건조하므로 수성 버전을 사용하여 건조 시간이 적은 더 큰 스폰지를 만들 수 있습니다. 높이가 짧을수록 건조 시간이 짧아지립니다. 금형은 에멀젼 Zn 페이스트와 달리 건조 후 수성 Zn 페이스트가 최소 계약으로 반으로 분할 할 수 있어야합니다. 무염 버터는 수성 Zn 페이스트를 눌러 데몰딩을 돕기 전에 금형을 윤활하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 1A는 수성 기반 프로토콜에 따라 Zn 붙여넣기로 포장된 맞춤형 가공 금형을 보여 주어집니다. 도 1B는 수성 기반 방법을 사용하여 만든 수제 메쉬 케이스, 노치 알루미나 홀더 및 결과 Zn 스폰지를 나타낸다.</li>
	<li>Zn-페이스트 채워진 금형을 70°C에서 밤새 건조시로 노로에서 건조시다.</li>
	<li>에멀젼 계 방법에 대해 설명된 동일한 처리 및 열처리 단계(1.11-1.19)를 따릅니다.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Retaining+the+3D+Framework+of+Zinc+Sponge+Anodes+upon+Deep+Discharge+in+Zn-Air+Cells.">Retaining the 3D Framework of Zinc Sponge Anodes upon Deep Discharge in Zn-Air Cells.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 6 (22), 19471-19476 (2014).</li><li>Parker, J. F., Chervin, C. N., Nelson, E. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wiring+zinc+in+three+dimensions+re-writes+battery+performance-dendrite-free+cycling.">Wiring zinc in three dimensions re-writes battery performance-dendrite-free cycling.</a> Energy &amp; Environmental Science. 7, 1117-1124 (2014).</li><li>Parker, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rechargeable+nickel-3D+zinc+batteries:+An+energy-dense,+safer+alternative+to+lithium-ion.">Rechargeable nickel-3D zinc batteries: An energy-dense, safer alternative to lithium-ion.</a> Science. 356 (6336), 415-418 (2017).</li><li>Ko, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+3D+Zn+sponges+enable+high-power,+energy-dense+alkaline+batteries.">Robust 3D Zn sponges enable high-power, energy-dense alkaline batteries.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (1), 212-216 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabricating+architected+zinc+electrodes+with+unprecedented+volumetric+capacity+in+rechargeable+alkaline+cells.">Fabricating architected zinc electrodes with unprecedented volumetric capacity in rechargeable alkaline cells.</a> Energy Storage Materials. 27, 370-376 (2020).</li><li>Hopkins, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+green+synthesis+of+zinc+sponge+for+rechargeable,+sustainable+batteries.">Low-cost green synthesis of zinc sponge for rechargeable, sustainable batteries.</a> Sustainable Energy &amp; Fuels. 4, 3363-3369 (2020).</li><li>Yufit, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Operando+Visualization+and+Multi-scale+Tomography+Studies+of+Dendrite+Formation+and+Dissolution+in+Zinc+Batteries.">Operando Visualization and Multi-scale Tomography Studies of Dendrite Formation and Dissolution in Zinc Batteries.</a> Joule. 3 (2), 485-502 (2019).</li><li>Ashby, M. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Metal Foams: A Design Guide. , (2000).</li><li>Parker, J. F., Ko, J. S., Rolison, D. R., Long, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Translating+Materials-Level+Performance+into+Device-Relevant+Metrics+for+Zinc-Based+Batteries.">Translating Materials-Level Performance into Device-Relevant Metrics for Zinc-Based Batteries.</a> Joule. 2 (12), 2519-2527 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., Chervin, C. N., Parker, J. F., Long, J. W., Rolison, D. 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M., Mumm, D. R., Mohraz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+Cyclability+of+ZnO+Electrodes+through+Microstructural+Design.">Improving Cyclability of ZnO Electrodes through Microstructural Design.</a> ACS Applied Energy Materials. 2 (11), 8107-8117 (2019).</li><li>Wang, C., Zhu, G., Liu, P., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monolithic+Nanoporous+Zn+Anode+for+Rechargeable+Alkaline+Batteries.">Monolithic Nanoporous Zn Anode for Rechargeable Alkaline Batteries.</a> ACS Nano. 14 (2), 2404-2411 (2020).</li><li>Drillet, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Novel+Zinc/Air+Fuel+Cell+with+a+Zn+Foam+Anode,+a+PVA/KOH+Membrane+and+a+MnO2/SiOC-based+Air+Cathode.">Development of a Novel Zinc/Air Fuel Cell with a Zn Foam Anode, a PVA/KOH Membrane and a MnO2/SiOC-based Air Cathode.</a> ECS Transactions. 28, 13-24 (2010).</li><li>Bozzini, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphological+evolution+of+Zn-sponge+electrodes+monitored+by+in+situ+X-ray+computed+microtomography.">Morphological evolution of Zn-sponge electrodes monitored by in situ X-ray computed microtomography.</a> ACS Applied Energy Materials. , (2020).</li><li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Do+Zinc+Dendrites+Exist+in+Neutral+Zinc+Batteries:+A+Developed+Electrohealing+Strategy+to+In+Situ+Rescue+In-Service+Batteries.">Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries.</a> Advanced Materials. 31, 1903778 (2019).</li><li>Yang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen-Substituted+Graphdiyne+Ion+Tunnels+Directing+Concentration+Redistribution+for+Commercial-Grate+Dendrite-Free+Zinc+Anodes.">Hydrogen-Substituted Graphdiyne Ion Tunnels Directing Concentration Redistribution for Commercial-Grate Dendrite-Free Zinc Anodes.</a> Advanced Materials. 32, 2001755 (2020).</li><li>Narayanan, S. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+challenges+and+technical+approaches+for+realizing+inexpensive+and+robust+iron-air+batteries+for+large-scale+energy+storage.">Materials challenges and technical approaches for realizing inexpensive and robust iron-air batteries for large-scale energy storage.</a> Solid State Ionics. 216, 105-109 (2012).</li><li>Xiong, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Heat+Treatment+on+the+Discharge+Behavior+of+Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn+Alloy+as+Anode+for+Magnesium-Air+Batteries.">Effects of Heat Treatment on the Discharge Behavior of Mg-6wt.%Al-1wt.%Sn Alloy as Anode for Magnesium-Air Batteries.</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 26, 2901-2911 (2017).</li><li>Hopkins, B. J., Shao-Horn, Y., Hart, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppressing+corrosion+in+primary+aluminum-air+batteries+via+oil+displacement.">Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement.</a> Science. 362, 658-661 (2018).</li><li>Hopkins, B. J., Long, J. W., Rolison, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Performance+Structural+Batteries.">High-Performance Structural Batteries.</a> Joule. , (2020).</li></ol>

J.F.P., D.R.R., J.W.L.은 아연 전극과 관련된 특허를 보유하고 있습니다: 미국 특허 no. 9802254, 10008711, 10720635, 10763500, EU 특허 2926395, 중국 특허 104813521.

이러한 프로토콜과 관련된 수정 및 문제 해결에는 갓 혼합된 Zn 페이스트를 금형 캐비티로 채우는 것이 포함됩니다. 에어 포켓을 피하기 위해 주의해야 합니다. 원치 않는 공극은 충전 후 또는 충전하는 동안 금형을 눌러 감소 될 수있다. 수성 Zn 페이스트가 건조하기 때문에 음파 페이스트에 직접 압력을 가하여 금형 캐비티를 채우는 동안 공기 주머니를 밀어 낼 수 있습니다.
방법의 한계는 Zn 스폰지 모공 구조가 무질서하다는 것입니다, 그러나 Zn 및 porogen 입자 크기는 모공 형태를 바꾸기 위하여 이용될 수 있습니다. 더 주문하 고 잠재적으로 더 강하고 가벼운 Zn 스폰지 적정 제조를 사용 하 여 제조 될 수 있습니다. 그러나 생성된 Zn 스폰지의 기계적 및 전기화학적 특성은 Zn 대 porogen 질량 비 및 Zn 및 porogen입자의크기 및 형상을5,6으로조정할 수 있다. 또 다른 잠재적 인 제한은 말린 Zn-페이스트가 깨지기 쉬울 수 있으므로 메쉬 케이스로 옮기는 것은 어려울 수 있으며 Zn 스폰지 크기를 제한할 수 있다는 것입니다.
기존 방법에 대하여 이러한 방법의 중요성은 생성 Zn 스폰지 높은 볼륨 과 areal 용량5,6긴 사이클 수명을 달성한다는 것입니다. 결과 Zn 스폰지는 기계적으로 견고한5,6.
프로세스의 향후 응용 프로그램은 원칙적으로 배터리 또는 기타 응용 제품에 대한 다른 금속 폼을 만들기 위해 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 철, 마그네슘 또는 알루미늄 폼은 금속-공기배터리25,26,27의양극으로서 유용할 수 있다. Zn-스폰지 전극은 특히 웨어러블, 그리드 스토리지, 개인 전자 장치, 전기 자동차 및 전기항공(28)을포함하는 다양한 애플리케이션용 배터리를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
수정 또는 문제 해결이 필요할 수도 있는 중요한 단계는 가열 공정입니다. 용광로 온도가 다를 수 있습니다. N2에서 가열 시간 - 하지만 Zn의 융점 아래, 함께 Zn 입자를 음침. 공기 하에서 가열 시간은 잔류 포로겐을 태우고 Zn을 융합하고 ZnO 층을 형성합니다. Zn 입자가 부적절하게 융합된 것처럼 보이면 N2하에서 가열 시간을 늘립니다. ZnO 층이 너무 두꺼우면 원하는 두께의 열 산화물이 달성 될 때까지 공기 중의 가열 시간을 10 분 이상 줄입니다.
ZnO의 두꺼운 층은 Zn 스폰지의 기계적 특성을 향상시키지만 Zn 전극의 즉시 사용 가능한 용량을 감소시킵니다. Zn 전극은 ZnO를 금속 Zn으로 전기 화학적으로 변환하여 충전될 수 있습니다. 그러나, 40% 깊이의 방전에서 안정적인 사이클링은 사전 충전 없이 달성할 수 있다5. ZnO 층이 너무 얇으면 Zn 스폰지가5를처리하는 동안 무너질 수 있습니다.

보고된 제조 방법의 목적은 담장 형성 및 모양 변화를 억제하는 아연(Zn) 스폰지 전극을 만드는 것이다. 역사적으로 이러한 문제로 Zn 배터리의 사이클 수명이 제한되었습니다. 아연 스폰지 전극은 이러한 문제를 해결하여 사이클 수명이 길어지면 Zn배터리가 1,2,3,4,5,6을사용할 수 있도록 합니다. 스폰지 구조는 (1) 융합 된 Zn 프레임 워크가 스폰지의 전체 부피를 전기적으로 와이어하기 때문에 원원지 형성 및 모양 변화를 억제합니다. (2) 모공은 Zn 스폰지 표면 근처에 진케이트를 고정; (3) 스폰지는 알칼리성 전해질7에서발아 물자로 식별된 값 보다 낮은 국면 밀도를 감소시키는 높은 표면적을 갖는다. 그러나 스폰지 표면적이 너무 높으면 상당한 부식이발생합니다 5. 스폰지 모공이 너무 큰 경우, 스폰지는 낮은 볼륨 용량을해야합니다5. 또한, 스폰지 모공이 너무 작으면, Zn 전극은 방전 중에 Zn에 접근할 수 있는 전해질이 부족하여 전력과 용량이5,6을생성한다.
보고된 제조 방법의 근거는 적절한 스폰지 다공성 및 모공 직경을 가진 Zn 스폰지를 만드는 것입니다. 실험적으로, 우리는 지공 50에서 70 %의 다공성을 가진 Zn 스폰지와 10 μm 근처의 모공 직경이 전체 셀 배터리에서 잘 순환하고 낮은 부식율5를표시하는 것을 발견합니다. 우리는 상용 금속 폼을 제조하는 기존의 방법은 이러한 길이 비늘8에유사한 형태를 달성하지 못하므로보고 된 제조 방법이 필요하다는 점에 유의하십시오.
대안에 대해 여기에서 보고된 방법의 장점은 스폰지 특징의 미세한 제어와 기술적으로 관련된 다리얼 용량 값5,6,9,10으로크고 조밀한 Zn 스폰지를 제조하는 기능이 특징입니다. Zn 폼을 만드는 대체 방법은 50 %에 가까운 스폰지 다공성으로 유사한 10 μm 모공을 만들 수 없습니다. 그러나 이러한 대안은 고온 처리 단계를 피하기 때문에 제작에 더 적은 에너지가 필요할 수 있습니다. 대체 공정에는 감기 소결 Zn입자(11),3차원 숙주 구조물에 Zn을 증착(12,13,14,15,16,17,Zn 호일을 2차원 폼18로절단, 스피노달 분해19 또는 퍼콜레이션 용해20을통해 Zn 폼 생성) 등의 전략이 포함된다.
출판 된 문학의 넓은 본문에보고 된 방법의 맥락은 주로 Drillet 외21의작업에 의해 확립된다. 그들은 다공성 세라믹을 제작하여 배터리용 깨지기 쉬운 Zn 폼이기는 하지만 가장 초기에 보고된 3차원 중 하나를 만드는 방법을 조정했습니다. 그러나 이러한 작성자는 Zn 입자 간의 연결이 좋지 않아 충전 가능성을 입증하지 못했습니다. 충전식 Zn-스폰지 전극에 앞서 Zn 호일 전극의 가장 좋은 대안은 Zn-분말 전극으로, Zn 분말이 젤 전해질과 혼합된다는 것입니다. 아연 분말 전극은 1차 알칼리성 배터리(Zn-MnO2)에상업적으로 사용되지만 Zn 입자가 Zn Oxide(ZnO)에 의해 전달되기 때문에 충전성이 좋지 않아, 이는 담수제 성장을 박차는 국소 전류밀도를증가시킬 수 있다3,22. 우리는 거품 이나 스폰지 아키텍처를 포함 하지 않는 다른 점선 억제 전략이 있습니다23,24.
보고된 Zn-스폰지 제조 방법은 튜브 용광로, 공기 및 질소 가스 (N2)및 연기 후드의 소스를 필요로합니다. 모든 단계는 환경 통제없이 실험실 책상에서 수행 할 수 있지만 열 처리 중에 튜브 용광로에서 배기하는 것은 연기 후드로 파이프해야합니다. 결과 전극은 높은 실질 용량(> 10mAh cmgeo–2)6을할 수 있는 충전식 Zn 전극을 만드는 데 관심이 있는 사람들에게 적합합니다.
첫 번째 보고 된 제조 방법은 Zn 스폰지 전극을 만드는 에멀젼 기반 경로입니다. 두 번째는 수성 기반 경로입니다. 에멀젼 경로의 장점은 건조시 금형 캐비티에서 쉽게 탈몰할 수 있는 Zn 페이스트를 만드는 능력입니다. 단점은 비싼 재료에 대한 의존도입니다. 수성 경로의 경우 스폰지 포근은 데폴드하기가 어려울 수 있지만이 과정은 저렴하고 풍부한 재료를 사용합니다.
두 방법 모두 Zn 입자를 포로겐과 점도 향상 제과 혼합하는 것을 포함합니다. 생성된 혼합물은 N2 하에서 가열된 다음 공기를 호흡합니다(합성 공기가 아님). N2하에서 가열하는 동안, Zn 입자 음막과 포로겐은 분해; 호흡 공기 아래, 아닐 Zn 입자 융합 하 고 포로겐 밖으로 태워. 이러한 공정은 금속 폼 또는 스폰지를 산출합니다. Zn 스폰지의 기계적 및 전기 화학적 특성은 Zn 대 porogen 질량 비율, N2 및 공기 하에서의 가열 시간 및 Zn 및 porogen 입자의 크기와 모양에 따라 조정 될 수 있습니다.

<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

우리는 충전식 아연 배터리에 대한 담장 형성과 모양 변화를 억제 아연 스폰지 전극을 만드는 두 가지 방법을보고합니다. 두 방법 모두 아연 입자, 유기 포로겐 및 불활성 가스 하에서 가열된 점도 향상 제고제및 공기로 만든 페이스트를 만드는 것이 특징입니다. 불활성 가스 하에서 가열하는 동안 아연 입자가 함께 음극을 생성하고 포로겐이 분해됩니다. 공기 아래에서 아연은 융합되고 잔류 유기체가 타워서 오픈 셀 메탈 폼이나 스폰지를 생성합니다. 아연 대 포로겐 질량 비율, 불활성 가스 및 공기 하에서의 가열 시간, 아연 및 포로겐 입자의 크기와 모양에 의해 아연 스폰지의 기계적 및 전기 화학적 특성을 조정합니다. 보고된 방법의 장점은 아연 스폰지 아키텍처를 미세조정하는 능력입니다. 아연 및 포로겐 입자의 선택된 크기와 모양은 모공 구조의 형태에 영향을 미칩니다. 한계는 결과 스폰지 아연 (<30 %)의 낮은 볼륨 분수에서 낮은 기계적 강도의 결과 모공 구조를 무질서했다는 것입니다. 이러한 아연 스폰지 전극의 응용 분야에는 그리드 스토리지, 개인 전자 제품, 전기 자동차 및 전기 항공용 배터리가 포함됩니다. 사용자는 분리기 피어싱 인 dendrites의 형성없이 기술적으로 관련된 속도와 areal 용량으로 최대 40 %의 방전 깊이를 순환 아연 스폰지 전극을 기대할 수 있습니다.

그 결과, 완전히 열 처리된 에멀젼 기반 Zn 스폰지는 밀도가 2.8g(3cm)인 반면 수성 기반 스폰지는 3.3g∙cm-3에접근한다. 공기 아래 가열하는 동안 ZnO 층은 Zn 표면에 형성되며 두께는 0.5-1.0 μm (스캐닝 전자 현미경 을 사용하여 관찰)5. 결과 스폰지의 고체는 72% Zn(에멀젼 버전) 또는 78% Zn(수성 버전)이어야 하며 나머지는 ZnO(X선 회절로 측정됨)6. 두 스폰지 모두 10 μm을 중심으로 50 %, 모공 직경 분포, 4.0 m∙2g-1의 특정 표면 영역 (수은 침입 porosimetry을 통해 측정)6에 가까운 다공성을 가져야한다. 두 스폰지의 인장 강도는 1.1-1.2 MPa (다이머럴 압축으로 측정)5,6이어야한다. 우리는 스폰지가 단단하고 부서지기 쉽습니다. Zn 스폰지의 단면은 그림 2A, B에표시된 것과 유사하게 보일 것입니다. 제조 된 스폰지의 모든 특성이 제공된 범위 내에 속하는 경우 결과는 긍정적입니다. 그렇지 않은 경우 결과는 음수입니다.
명시된 특성으로 Zn 스폰지는 제대로 구성된 배터리로 잘 순환합니다. 그들의 성능은 또한 카운터 전극, 전해질, 분리기 및 세포 구조에 달려 있습니다. 신뢰할 수 있는 전체 셀의 구성은 이 논문의 범위를 벗어납니다. Zn 스폰지의 전기 화학적 유효성을 테스트하려면 니켈 - 금속 수화물 배터리5,6에서상업용 카운터 전극을 수확하는 것이 좋습니다. 지름 10mm와 두께 0.5mm를 가지도록 Zn 스폰지를 만듭니다. 이 스폰지를 20 mA/cm지오–2(기하학적 영역)에서 발동하고 10mA(@cm지오–2)에서 문헌5에기재된 니켈-아연 세포에 충전한다. 적절한 시공을 가정, Zn 스폰지 전극은 328mA(@∙h g스폰지-1(ZnO@Zn 스폰지 전극의 그램당)의 중력 용량에서 사이클링 안정성을 보여주어야 하며, 이는 전극의 모든 원자에 대하여 43%의 출력 깊이(Zn의 모든 원자에 대하여 중력 방전 용량의 지수)를 Zn의 이론적 용량으로 나누어 보임한다. 광범위한 사이클링 후, 전자 현미경검사(도 3)를스캔하여 어떤 수상월염도 관찰되지 않습니다. X선 회절은 Zn 및 ZnO 반사1을모니터링하여 Zn-스폰지 전극의 전하 상태를 추적하는 데 사용할 수 있다. 우리는 Zn 스폰지의 표면이 사이클링 중에 구조 조정을 겪는 것을 주목합니다. 방전 수준이 클수록 사이클 수명이 클수록구조조정 5의 양이 클 수 있습니다. 이러한 요인은 도 3A,B에도시된 표면 형태의 차이에 기여한다. 이 충전식 용량이 달성되면 결과는 긍정적입니다. 그렇지 않은 경우, 결과는 음수이며 Zn 스폰지, 가난한 세포 구조 또는 다른 세포 구성 요소의 실패로 인해 발생할 수 있습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig01.jpg"> 도 1: 수성 기반 방법을 사용하여 열처리 전후의 아연 스폰지. (A)가열하기 전에 Zn 페이스트로 포장된 델린 또는 폴리옥시메틸렌(POM)으로 만든 맞춤형 금형의 사진. (B)핸드메이드 메쉬 케이스, 노치 알루미나 홀더, 열처리 후 Zn 스폰지의 사진. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig02.jpg"> 그림 2: 아연 스폰지 형태및 전기 화학 적 성능. 단면(A)에멀젼 계 Zn 스폰지 및(B)수성 기반 Zn 스폰지의 전자 현미경 을 스캔합니다. (C)니켈-아연 세포에서 사이클로 된 에멀젼 기반 스폰지의 전압 대 시간은 20mACM 지오–2에서 배출되고 10mA(@cm지오–2~2~2~328mA+h+g 스폰지-1.1)의중력 용량으로 충전된다. 홉킨스 등에서 적응된 데이터5,6. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig03.jpg"> 그림 3: 아연 스폰지 전극은 담장 형성을 억제합니다. 에멀젼 계 Zn 스폰지(A)전기 화학 적 사이클링 후 전(B). 홉킨스 등에서 적응된 데이터5. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

보고된 프로토콜의 목표는 니켈-아연 또는 아연 공기와 같은 아연 배터리의 담장과 모양 변화를 억제하는 충전식 아연 스폰지 전극을 만드는 것입니다.

담수개를 억제하는 아연 스폰지 배터리 전극

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 조회수.  U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States. 보고된 프로토콜의 목표는 니켈-아연 또는 아연 공기와 같은 아연 배터리의 담장과 모양 변화를 억제하는 충전식 아연 스폰지 전극을 만드는 것입니다.

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Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

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

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

건설과 리튬 이온 배터리의 동전 전지의 테스트

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

연구

공학

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.

VB의 제작<sub&gt; 2</sub전기 테스트를위한&gt; / 공기 전지

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

방사광 기술을 사용하여 리튬 이온과 나트륨 이온 배터리 용 전극 재료의 특성

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.

제자리 중성자 분말 회절에서 사용자 정의 - 만든 리튬 이온 배터리를 사용하여

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.

싱크로 기반 하드 X 선 Microtomography를 사용하여 배터리의 실패 분석

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.

리튬 이온 코인 셀의 비수 전극 가공 및 건설

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.

원래의 Lithiated 참조 전극: 4 개의 전극 디자인-operando 임피던스 분광학에 대 한

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

화학

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.

소프트 x 선 흡수 분광학 및 공명 탄력 x 선 산란을 통해 배터리에 화학의 원소 구분 검색

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.

3 전극 동전 전지 준비 및 Electrodeposition 리튬-이온 배터리에 대 한 분석

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.

그래 액체 셀 리튬-이온 배터리 재료의 관찰에 대 한 준비

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