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

Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos.

1. Um método baseado em emulsão para criar eletrodos de esponja Zn
<ol><li>Adicione 2,054 mL de água deionizada a um copo de vidro de 100 mL.</li>
	<li>Adicione 4.565 mL de decana ao béquer.</li>
	<li>Mexa 0,1000 ± 0,0003 g de sulfato de dodecyl de sódio (SDS) até dissolver.</li>
	<li>Mexa em 0,0050 ± 0,0003 g de celulose de carcelulose de viscose média solúvel em água (CMC) à mão por 5 min ou até que o CMC esteja totalmente dissolvido. NOTA: Use ferramentas de agitação revestidas de plástico ou plástico. Mexer com ferramentas com uma superfície metálica pode afetar negativamente as esponjas Zn resultantes.</li>
	<li>Mexa em 0,844 ± 0,002 g de resina de celulose de carboximetila pré-inchada insolúvel. NOTA: Este tipo de resina insolúvel em água é cara (US$ 420 kg–1)6.</li>
	<li>Mexa esta mistura a 1.000 rpm por 5 min usando um agitador de pás aéreo equipado com uma pá de plástico.</li>
	<li>Despeje 50 g de pó Zn (tamanho médio de partícula de 50 μm, contendo 307 ppm de bismuto e 307 ppm de índio para supressão de corrosão) no béquer enquanto o agitador aéreo continua a girar a 1.000 rpm.</li>
	<li>Continue mexendo a pasta Zn por mais 5 min na mesma taxa, 1.000 rpm.</li>
	<li>Pare o agitador, remova o béquer e exacar a mistura colocando o béquer e seu conteúdo sob vácuo por 5 minutos em um dessecador à temperatura ambiente.</li>
	<li>Poro a pasta Zn em moldes de polipropileno (~10 mm de diâmetro e ~5 mm de altura) e deixe-os secar ao ar livre durante a noite. A forma do molde dita a forma da pasta seca e as esponjas Zn resultantes. NOTA: O tamanho e a forma do molde podem variar. Experimentos passados5 usam com sucesso moldes cilíndricos com diâmetros próximos a 10 mm. Encha a pasta Zn até uma altura de 5 mm ou menos. Quanto menor a altura, menor o tempo de secagem necessário. Consulte Tabela de Materiais para moldes disponíveis comercialmente.</li>
	<li>Remova cuidadosamente as preformas da pasta Zn seca dos moldes e coloque-as em uma carcaça de malha que repousa sobre um suporte de alumina entalhado5,6. NOTA: Fabricar invólucro de malha, por exemplo, dobrando uma folha de latão perfurado em um cilindro com um diâmetro ligeiramente maior do que o diâmetro desejado do eletrodo zn-esponja. Pulverize a folha de metal perfurada com lubrificante de nitreto de boro após dobrar em uma forma desejada.</li>
	<li>Coloque o conjunto em um forno de tubo (67 mm de diâmetro) com portas para fluir gás dentro e fora do tubo. NOTA: Use uma porta (a porta de entrada) para canalizar gás no forno. Use o outro (a porta de saída) para liberar gás do forno do tubo em um capô de fumaça.</li>
	<li>Tubo N2 gás no forno por 30 min a uma taxa de 5,7 cm∙min–1 para limpar o forno de ar. NOTA: O passo 1.13 pode ser alcançado conectando um tanque de gás N2 com um medidor de fluxo controlado digitalmente a um tubo conectado a uma das portas de entrada. Os medidores de fluxo de gás podem ser controlados manualmente ou por um computador.</li>
	<li>Estrangule o gás N2 a uma taxa constante de 2,8 cm∙min–1 após o expurgo de 30 minutos.</li>
	<li>Programe o forno para aumentar a temperatura linearmente de 20 para 369 °C ao longo de 68 min, mantenha a 369 °C por 5 h, suba linearmente de 369 para 584 °C ao longo de 105 min e, em seguida, desligue.</li>
	<li>Inicie o programa de forno enquanto o gás N2 continua a fluir.</li>
	<li>Pare manualmente o fluxo de gás N2após o porão de temperatura de 5h e o tubo no ar respiratório a 2,8 cm∙min–1. NOTA: O passo 1.17 pode ser alcançado conectando um tanque de ar respirando (não ar sintético) com um medidor de fluxo controlado digitalmente a um tubo conectado a uma porta de entrada adicional.</li>
	<li>Uma vez que o programa de aquecimento pare, deixe o forno esfriar até a temperatura ambiente sem resfriamento ativo, mas mantenha o ar de respiração fluindo.</li>
	<li>Remova as esponjas Zn resfriadas e as vi e/ou lixe-as para as dimensões desejadas. NOTA: Uma variedade de ferramentas de serragem pode ser usada, como serras rotativas portáteis ou serras de banda vertical. Lâminas abrasivas ou de diamante são apropriadas.</li>
</ol>2. Um método baseado em aquoso para criar eletrodos de esponja Zn
<ol><li>Adicione 10,5 mL de água deionizada a um copo de vidro de 100 mL.</li>
	<li>Mexa em 0,120 ± 0,001 g de goma de celulose solúvel de alta viscose, também conhecida como sal de sódio de celulose carboximetil (CMC). NOTA: Use ferramentas de agitação revestidas de plástico ou plástico. Mexer com ferramentas com uma superfície metálica pode afetar negativamente as esponjas Zn resultantes.</li>
	<li>Vórtice e mexa esta mistura à mão por 5 minutos ou até que o CMC seja dissolvido.</li>
	<li>Mexa 2.400 ± 0,001 g de amido de milho enquanto o vórtice por mais 2 minutos.</li>
	<li>Mexa em 120,00 ± 0,01 g de pó Zn (tamanho médio de partícula de 50 μm, contendo 307 ppm de bismute e 307 ppm de índio para supressão de corrosão) enquanto vórtice por mais 2 min.</li>
	<li>Pressione a pasta Zn resultante nas cavidades de molde desejadas. NOTA: O tamanho e a forma do molde podem variar. Experimentos passados6 usam com sucesso moldes cilíndricos com diâmetros próximos a 10 mm. Encha a pasta Zn até uma altura de 50 mm ou menos. A pasta Aquosa Zn é mais seca que a pasta Zn emulsion, de modo que a versão aquosa pode ser usada para fazer esponjas maiores que requerem menos tempo de secagem. Quanto menor a altura, menor o tempo de secagem necessário. O molde precisa ser capaz de dividir ao meio, pois a pasta aquosa Zn minimamente contrai após a secagem, ao contrário da pasta Zn emulsiona. A manteiga sem sal pode ser usada para lubrificar os moldes antes de pressionar na pasta aquosa Zn para ajudar na desmoldagem. A Figura 1A mostra os moldes personalizados embalados com pasta Zn seguindo o protocolo aquoso. A Figura 1B mostra o invólucro de malha feito à mão, o suporte de alumina entalhado e a esponja Zn resultante feita usando o método aquoso.</li>
	<li>Deixe os moldes cheios de pasta Zn secarem durante a noite a 70 °C ao ar livre em um forno.</li>
	<li>Siga as mesmas etapas de manuseio e tratamento térmico (1.11-1.19) descritas para o método baseado em emulsão.</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. 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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. 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J.F.P., D.R.R., e J.W.L. possuem patentes relacionadas a eletrodos de zinco: patentes dos EUA 9802254, 10008711, 10720635 e 10763500, patente da UE no 2926395 e patente da China no. 104813521.

Modificações e solução de problemas associadas a esses protocolos incluem o preenchimento da pasta Zn recém-misturada em uma cavidade de molde. Deve-se tomar cuidado para evitar bolsões de ar. Os vazios indesejados podem ser diminuídos tocando no molde após o preenchimento ou durante o preenchimento. Como a pasta Zn aquosa está seca, a pressão pode ser aplicada diretamente na pasta Zn para empurrar os bolsos de ar enquanto enche a cavidade do molde.
Uma limitação dos métodos é que a estrutura de poros de esponja Zn é desordenada, mas os tamanhos de partículas Zn e porogen podem ser usados para alterar a morfologia dos poros. Uma esponja Zn mais ordenada e potencialmente mais forte pode ser fabricada usando fabricação aditiva. As propriedades mecânicas e eletroquímicas das esponjas Zn resultantes, no entanto, podem ser ajustadas pela variada relação de massa Zn-porogen e o tamanho e forma das partículas Zn e porogen5,6. Outra limitação potencial é que a pasta de Zn seca pode ser frágil, portanto transferi-la para uma carcaça de malha pode ser um desafio e limitar o tamanho da esponja Zn.
A importância desses métodos em relação aos métodos existentes é que as esponjas Zn resultantes atingem vida útil de ciclo longo com altas capacidades volumétricas e areais5,6. As esponjas Zn resultantes também são mecanicamente robustas5,6.
Aplicações futuras dos processos poderiam, em princípio, ser adaptadas para criar outras espumas metálicas para baterias ou outras aplicações. Por exemplo, espumas de ferro, magnésio ou alumínio podem ser úteis como ânodos para baterias de metal-ar25,26,27. Os eletrodos de esponja ZN, em particular, podem ser usados para criar baterias para uma gama de aplicações que incluem wearables, armazenamento em grade, eletrônicos pessoais, veículos elétricos e aviação elétrica28.
Uma etapa crítica, que também pode exigir modificação ou solução de problemas, é o processo de aquecimento. As temperaturas do forno podem variar. O tempo de aquecimento abaixo de N2, perto, mas abaixo do ponto de fusão de Zn, reúne as partículas Zn. O tempo de aquecimento sob o ar queima o porogen residual, funde o Zn, e forma uma camada ZnO. Se as partículas Zn parecerem estar se fundindo incorretamente, aumente o tempo de aquecimento sob N2. Se a camada ZnO for muito grossa, diminua o tempo de aquecimento sob o ar em 10 minutos ou mais até que a espessura desejada do óxido térmico seja alcançada.
Notamos que uma camada espessa de ZnO aumenta as propriedades mecânicas da esponja Zn, mas também diminui a capacidade imediatamente útil do eletrodo Zn. O eletrodo Zn pode ser carregado convertendo eletroquimicamente ZnO em Zn metálico. No entanto, o ciclismo estável a 40% de profundidade de descarga pode ser alcançado sem qualquer pré-carga5. Se a camada ZnO estiver muito fina, a esponja Zn pode desmoronar durante o manuseiode 5.

O objetivo dos métodos de fabricação relatados é criar eletrodos de esponja de zinco (Zn) que suprimem a formação de dendrite e a mudança de forma. Historicamente, esses problemas limitaram a vida útil do ciclo das baterias Zn. Os eletrodos de esponja de zinco resolveram esses problemas, permitindo baterias Zn com vida de ciclo mais longa1,2,3,4,5,6. A estrutura da esponja suprime a formação de dendrite e a mudança de forma porque (1) a estrutura zn fundida fios eletricamente todo o volume da esponja; (2) os poros seguram zincato perto da superfície zn-esponja; e (3) a esponja possui uma área de superfície elevada que diminui a densidade de corrente local abaixo dos valores identificados para brotar dendritos em eletrólitos alcalinos7. No entanto, se a área da superfície da esponja for muito alta, a corrosão substancial ocorre5. Se os poros de esponja forem muito grandes, a esponja terá uma baixa capacidade volumosa5. Além disso, se os poros de esponja forem muito pequenos, o eletrodo ZN terá eletrólito insuficiente para acessar Zn durante a descarga, resultando em baixa potência e capacidade5,6.
A lógica por trás dos métodos de fabricação relatados é criar esponjas Zn com porosidades de esponja apropriadas e diâmetros de poros. Experimentalmente, descobrimos que as esponjas Zn com porosidades de 50 a 70% e diâmetros de poros perto de 10 μm ciclo bem em baterias de células cheias e exibem baixas taxas de corrosão5. Notamos que os métodos existentes para a fabricação de espumas metálicas comerciais não conseguem alcançar morfologias semelhantes nestas escalas de comprimento8, de modo que os métodos de fabricação relatados são necessários.
As vantagens dos métodos aqui relatados sobre alternativas são caracterizadas pelo bom controle das características das esponjas e pela capacidade de fabricar esponjas Zn grandes e densas com valores de capacidade areal tecnologicamente relevantes5,6,9,10. Métodos alternativos para criar espumas Zn podem ser incapazes de criar poros comparáveis de 10 μm com porosidades de esponja perto de 50%. Tais alternativas podem, no entanto, exigir menos energia para fabricar, pois evitam etapas de processamento de alta temperatura. Os processos alternativos incluem as seguintes estratégias: partículas Zn de sinterização a frio11,depósito de Zn em estruturas hospedeiras tridimensionais12,13,14,15,16,17, corte de folha de Zn em espumas bidimensionais18, e criação de espumas Zn através de decomposição spinodal19 ou dissolução de percolação20.
O contexto dos métodos relatados no corpo mais amplo da literatura publicada é estabelecido principalmente pelo trabalho de Drillet et al.21. Eles adaptaram métodos de fabricação de cerâmicas porosas para criar uma das primeiras espumas tridimensionais relatadas, embora frágeis, zn para baterias. Esses autores, no entanto, não demonstraram a capacidade de recarga, provavelmente devido à baixa conectividade entre as partículas Zn. Antes dos eletrodos de esponja Zn recarregáveis, a melhor alternativa para um eletrodo de papel alumínio Zn era um eletrodo Zn-powder, no qual o pó Zn é misturado com um eletrólito de gel. Os eletrodos de zinco em pó são usados comercialmente em baterias alcalinas primárias (Zn-MnO2), mas têm baixa capacidade de recarga porque as partículas Zn são passivadas pelo óxido Zn (ZnO), o que pode aumentar a densidade de corrente local que estimula o crescimento dendrite3,22. Notamos que existem outras estratégias de supressão de dendrite que não envolvem espuma ou arquiteturasesponjas 23,24.
Os métodos de fabricação de esponjas Zn relatados requerem um forno de tubo, fontes de ar e gás nitrogênio (N2), e um capuz de fumaça. Todas as etapas podem ser realizadas em um laboratório sem controle ambiental, mas o escapamento do forno do tubo durante o tratamento térmico deve ser canalizado para um capô de fumaça. Os eletrodos resultantes são apropriados para os interessados em criar eletrodos ZN recarregáveis capazes de alta capacidade areal (> 10 mAh cmgeo–2)6.
O primeiro método de fabricação relatado é uma rota baseada em emulsão para criar eletrodos de esponja Zn. A segunda, é uma rota aquosa. Uma vantagem da rota de emulsão é sua capacidade de criar pasta Zn que, quando seca, é fácil de desmold de uma cavidade de molde. Uma desvantagem é sua dependência de materiais caros. Para a rota aquosa, as formas de esponja podem ser desafiadoras para serem desmold, mas este processo usa materiais baratos e abundantes.
Ambos os métodos envolvem a mistura de partículas Zn com um agente porógeno e de aumento da viscosidade. A mistura resultante é aquecida sob N2 e, em seguida, ar de respiração (não ar sintético). Durante o aquecimento sob n2,as partículas Zn anneal e o porogen se decompõem; sob o ar respiratório, as partículas Zn se fundem e o porogen queima. Esses processos produzem espumas metálicas ou esponjas. As propriedades mecânicas e eletroquímicas das esponjas Zn podem ser ajustadas pela variada relação de massa Zn-to-porogen, tempo de aquecimento sob N2 e ar, e tamanho e forma das partículas Zn e porogen.

<table><tbody><tr><td>Corn starch</td><td>Argo</td><td>Not applicable</td><td>This acts as a porogen and viscosity-enhancing agent.</td></tr><tr><td>Decane</td><td>MilliporeSigma</td><td>D901</td><td></td></tr><tr><td>Medium viscosity water-soluble carboxymethyl cellulose (CMC) sodium salt</td><td>MilliporeSigma</td><td>C4888-500G</td><td>This CMC acts primarily as a viscosity-enhancing agent.</td></tr><tr><td>Overhead stirrer</td><td>Caframo Lab Solutions</td><td>BDC3030</td><td></td></tr><tr><td>Small cylindrical models for Zn sponges</td><td>VWR</td><td>66014-358</td><td>The caps of the vials can be used as molds.</td></tr><tr><td>Sodium dodecyl sulfate</td><td>MilliporeSigma</td><td>436143</td><td></td></tr><tr><td>Water-insoluble IonSep CMC 52 preswollen carboxymethyl cellulose resin</td><td>BIOpHORETICS</td><td>B45019.01</td><td>This CMC acts as a porogen and viscosity-enhancing agent.</td></tr><tr><td>Zn powder</td><td>EverZinc</td><td>Custom order</td><td></td></tr></tbody></table>

zinc-sponge battery electrodes that suppress dendrites

Relatamos dois métodos para criar eletrodos de esponja de zinco que suprimem a formação de dendrite e a mudança de forma para baterias de zinco recarregáveis. Ambos os métodos são caracterizados pela criação de uma pasta feita de partículas de zinco, porogen orgânico e agente de aumento da viscosidade que é aquecido sob um gás inerte e, em seguida, ar. Durante o aquecimento sob o gás inerte, as partículas de zinco se juntam, e o porogen se decompõe; sob o ar, os fusíveis de zinco e os orgânicos residuais queimam, produzindo uma espuma de metal de célula aberta ou esponja. Nós ajustamos as propriedades mecânicas e eletroquímicas das esponjas de zinco por variadas proporções de massa zinco-porogen, tempo de aquecimento sob gás e ar inertes, e tamanho e forma das partículas de zinco e porógeno. Uma vantagem dos métodos relatados é sua capacidade de ajustar finamente a arquitetura zinco-esponja. O tamanho e a forma selecionados das partículas de zinco e porogen influenciam a morfologia da estrutura dos poros. Uma limitação é que as esponjas resultantes possuem estruturas de poros desordenadas que resultam em baixa resistência mecânica em frações de baixo volume de zinco (<30%). As aplicações para estes eletrodos de esponja de zinco incluem baterias para armazenamento em grade, eletrônicos pessoais, veículos elétricos e aviação elétrica. Os usuários podem esperar que os eletrodos de esponja de zinco pedalem até 40% de profundidade de descarga a taxas tecnologicamente relevantes e capacidades areais sem a formação de dendritos separadores-perfurantes.

Resultantes, totalmente tratadas pelo calor, esponjas Zn baseadas em emulsão têm densidades de 2,8 g∙cm–3 enquanto esponjas baseadas em aquosos se aproximam de 3,3 g∙cm–3. Durante o aquecimento sob o ar, uma camada de ZnO se forma nas superfícies Zn, que deve ter uma espessura de 0,5-1,0 μm (observada usando microscopia eletrônica de varredura)5. O sólido nas esponjas resultantes deve ser de 72% Zn (versão emulsion) ou 78% Zn (versão aquosa) com o restante sendo ZnO (medido por difração de raios-X)6. Ambas as esponjas devem ter porosidades próximas a 50%, distribuições de diâmetro de poros centrados em 10 μm e áreas de superfície específicas de 4,0 m2∙g–1 (medida via porosimetria de intrusão de mercúrio)6. A resistência à tração de ambas as esponjas deve ser de 1,1-1,2 MPa (medido com compressão diametral)5,6. Notamos que as esponjas devem ser rígidas e quebradiças. As seções transversais das esponjas Zn devem ser semelhantes às mostradas na Figura 2A,B. Se todas as propriedades das esponjas fabricadas se enquadrarem nas faixas fornecidas, o resultado é positivo; se não, o resultado é negativo.
Com as propriedades indicadas, as esponjas Zn pedalam bem em baterias devidamente construídas. Seu desempenho também depende do eletrodo de balcão, eletrólito, separador e construção celular; a construção de células completas confiáveis está além do escopo deste artigo. Para testar a validade eletroquímica das esponjas Zn, recomendamos a colheita de eletrodos comerciais de contadores comerciais das baterias de níquel-hidreto metálico5,6. Modele uma esponja Zn para ter um diâmetro de 10 mm e 0,5 mm de espessura. Pedale esta esponja a 20 mA∙cmgeo–2 (área geométrica) para descarga e geo de 10 mA∙cm–2 para carga em uma célula de níquel-zinco como descrito na literatura5. Assumindo a construção adequada, o eletrodo zn-esponja deve apresentar estabilidade de ciclismo a uma capacidade gravimétrica de 328 mA∙h∙gesponja-1 (por grama de eletrodo de ZnO@Zn esponja) como mostrado na Figura 2C,que mapeia até 43% de profundidade de descarga (o quociente da capacidade de descarga gravimétrica em relação a cada átomo de Zn no eletrodo teórico dividido pela capacidade teórica de gravimétrica de Zn). Após o ciclismo extensivo, nenhum dendrito é observado por microscopia eletrônica de varredura(Figura 3). A difração de raios-X pode ser usada para rastrear o estado de carga do eletrodo zn-esponja monitorando reflexos Zn e ZnO1. Notamos que a superfície da esponja Zn passa por uma reestruturação durante o ciclismo. Quanto maior o nível de alta e maior a vida útil do ciclo, maior a quantidade de reestruturação5. Esses fatores contribuem para a diferença na morfologia superficial mostrada na Figura 3A,B. Se essa capacidade recarregável for alcançada, o resultado é positivo; se não, o resultado é negativo e pode ser causado pela esponja Zn, má construção celular ou falha de outros componentes celulares.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig01.jpg"> Figura 1: Esponjas de zinco antes e depois do tratamento térmico usando o método aquoso à base. (A) Foto de moldes personalizados feitos de Delrin ou polioximetileno (POM) que é embalado com pasta Zn antes do aquecimento ocorrer. (B) Foto de invólucro de malha feito à mão, suporte de alumina entalhado e esponja Zn resultante após o tratamento térmico. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig02.jpg"> Figura 2: Morfologia zinco-esponja e desempenho eletroquímico. Escaneando micrografos eletrônicos de esponja Zn baseada em emulsão transversal(A)e(B)esponja Zn baseada em aquoso. (C) Tensão versus tempo de uma esponja à base de emulsão ciclou-se em uma célula de níquel-zinco descarregada a 20 mA∙cmgeo–2 e carregada a 10 mA∙cmgeo–2 com uma capacidade gravimétrica de 328 mA∙h∙gesponja–1. Dados adaptados de Hopkins et al.5,6. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61770/61770fig03.jpg"> Figura 3: Eletrodos de esponja de zinco suprimem a formação de dendrite. Esponja Zn baseada em emulsão (A) antes e (B) após ciclismo eletroquímico. Dados adaptados de Hopkins et al.5. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61770/61770fig03large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Zinc-Sponge Battery Electrodes that Suppress Dendrites

O objetivo dos protocolos relatados é criar eletrodos recarregáveis de zinco-esponja que suprimem dendritos e mudam de forma em baterias de zinco, como níquel-zinco ou zinco-ar.

Eletrodos da bateria zinco-esponja que suprimem dendritos

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 visualizações.  U.S. Naval Research Laboratory, Washington, DC, 20375, United States. O objetivo dos protocolos relatados é criar eletrodos recarregáveis de zinco-esponja que suprimem dendritos e mudam de forma em baterias de zinco, como níquel-zinco ou zinco-ar.

Vídeo: 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.

Construção e Teste de Pilhas da moeda de baterias de lítio

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

Engenharia

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.

Fabricação de VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Ar Células para Electrochemical Teste

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

Caracterização de Materiais de Eletrodo de íons de lítio e íon sódio Baterias Utilizando Técnicas Synchrotron Radiation

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 Neutron Powder Diffraction uso das baterias de íon-lítio sob medida

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.

Falha Análise de Baterias Usando baseado no Synchrotron microtomografia de raios-X dura

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.

Processamento Eletrodo não aquoso e Construção de iões de lítio Coin Cells

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.

No eletrodo de referência Lithiated Situ: Quatro eletrodos Design por espectroscopia de impedância no operando

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

Química

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.

Elemental-sensíveis à deteção da química em baterias através de espectroscopia de absorção de raios-x moles e espalhamento inelástico de raios-x ressonante

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.

Preparação de célula de moeda de três-elétrodo e eletrodeposição Analytics para baterias do lítio-íon

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.

Preparação de células de líquido de grafeno para a observação do Material da bateria de lítio-íon

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