Verbeterde ionendiffusiekinetiek bereikt door middel van interpenetrerende structuren in elektrochemische energieopslagapparaten

Terwijl de wereldwijde vraag naar elektrochemische elektroden blijft stijgen, is er een nieuwe trend ontstaan ​​die de noodzaak benadrukt om de ionendiffusie-efficiëntie te behouden en tegelijkertijd ultrahoge ladingen van actieve materialen te accommoderen om de capaciteit en energiedichtheid te verbeteren. In de driedimensionale ruimte hebben gestructureerde elektroden met hoge porositeit en lage tortuositeit bewezen effectief te zijn in het verbeteren van de prestaties van verschillende elektrochemische energieopslagapparaten (EESD’s).

Echter, het vergroten van de dikte van 3D-geprinte elektroden verlengt onvermijdelijk het ionendiffusiepad en verhoogt de concentratiegradiënt tussen de twee elektroden, wat leidt tot langzamere ionendiffusiekinetiek. Bijgevolg zijn er dringend innovatieve elektrodeontwerpen nodig om grote oppervlakken, lage tortuositeit en korte elektrodeafstand tegelijkertijd te bereiken, waardoor snelle ionendiffusie op apparaatniveau mogelijk wordt.

Om deze uitdaging aan te gaan, introduceerden Yat Li en collega’s van de University of California, Santa Cruz, een nieuwe strategie om een ​​interpenetrated electrode-structuur te construeren. Dit modelsysteem maakt gebruik van een Kelvin unit-body-centered cubic lattice, waarbij elke unit cell twee onafhankelijke sublattice-elektroden bevat. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Nano-micro-letters.

Met behulp van commerciële hars als voorloper werden polymere interpenetrerende structuren, samengesteld uit verschillende aantallen eenheidscellen, vervaardigd via stereolithografie (SLA). Vervolgens werd elektroloze plating gebruikt om het polymeersubstraat geleidend te maken. Specifiek werd het polymeeroppervlak eerst gesensibiliseerd met Sn²⁺ ionen, gevolgd door een redoxreactie tussen Sn²⁺ en Pd²⁺ ionen, waarbij Pd-nanodeeltjes, die als katalytische actieve plaatsen dienen, op het polymeeroppervlak worden geassembleerd.

Het geactiveerde substraat werd vervolgens ondergedompeld in een gemengde oplossing die Ni²⁺-ionen en het reductiemiddel NaH bevatte₂Postbode₂waardoor een geleidende Ni-P-composietlaag op de Pd-locaties ontstaat. Tijdens de elektroloze en galvaniseringsprocessen werden delen van de elektrode-ondersteuningsstructuur gemaskeerd om onafhankelijke adressering van elektroden A en B mogelijk te maken.

Ten slotte, MnO₂/PEDOT-composieten en metallisch zink werden selectief gegalvaniseerd op respectievelijk elektroden A en B. Een Zn//MnO₂ batterij-apparaat werd gebruikt als een modelsysteem om de hypothese met betrekking tot interpenetrated EESDs te testen. Deze aanpak verkortte de ionendiffusieafstand en verminderde ionconcentratiegradiënten, terwijl de zelfdragende apparaatstructuur de noodzaak voor separatoren elimineerde, waardoor kortsluitingen werden voorkomen.

Bovendien konden de feature size en het aantal interpenetrated units tijdens het printen worden aangepast om het oppervlak en de ionendiffusie in evenwicht te brengen. Beginnend met het 3D-geprinte interpenetrated polymer substraat, werd het gemetalliseerd om geleidende, onafhankelijk adresseerbare elektroden te creëren voor selectieve elektrodepositie van energieopslagmaterialen.

Het interpenetrated structure-ontwerp bleek met name voordelig in toepassingen met lage temperaturen, waar trage ionendiffusie aanzienlijke uitdagingen vormt. Li en collega’s voerden tests uit met Zn//Zn symmetrische cellen om het stripping/plating-gedrag van zinkmetaal in apparaten met twee verschillende structuren bij 20 °C en 0 °C te vergelijken.

De interpenetrated structuur vertoonde lagere polarisatiepotentialen bij beide temperaturen en toonde stabielere en vloeiendere stripping/plating curves vergeleken met het gescheiden electrode ontwerp. Hoewel de ladingsoverdrachtsweerstand (R_ct) bij 20 °C vergelijkbaar was, vertoonde de doordrongen structuur een lagere oplossings- en massaoverdrachtsweerstand.

Bij 0 °C is de R_ct van de gescheiden structuur (~400 Ω) was significant hoger dan die van het interpenetrated ontwerp (~80 Ω). De verbeterde lagetemperatuurprestaties van het interpenetrated apparaat werden toegeschreven aan efficiëntere ionendiffusie en een uniformere ionconcentratieverdeling, bereikt door de elektrodeafstand te verkorten. Bovendien lieten batterijapparaattests bij lage temperaturen zien dat toen de temperatuur daalde van 20 °C naar 0 °C, het interpenetrated apparaat 49% van zijn oppervlaktecapaciteit behield, vergeleken met slechts 35% voor het gescheiden apparaat.

Dankzij verbeterde ionendiffusiekinetiek en een compacter ontwerp vertoonde het interpenetrated device opmerkelijke verbeteringen bij 0 °C, waaronder een toename van 104% in oppervlaktecapaciteit, een toename van 82% in oppervlakte-energiedichtheid en een toename van 263% in volumetrische energiedichtheid vergeleken met het gescheiden device. Deze bevindingen onderstrepen het belang van de interpenetrated structuur bij het verbeteren van ionendiffusiekinetiek.