CN103165918A - 锌锰贮备电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锌锰贮备电池及其制备方法，该锌锰贮备电池包括电池外壳和电解液储液箱，所述电解液储液箱通过电解液管道与所述电池外壳连接，在所述电池外壳的表面设置有正极引出端和负极引出端，所述电解液储液箱中设置有电解液；其中所述电池外壳的内部设置有锰阳极和锌阴极；所述锰阳极包括电解MnO2和导电碳材料，所述电解MnO2和导电碳材料的重量份数比为75～85:9～25。本发明的锌锰贮备电池能够快速激活，输出功率大；可以长时间连续工作；本发明的锌锰贮备电池在贮存时没有电能输出，也不存在自放电现象，故而不产生能量损耗，经过长期贮存后性能稳定，激活时仍然可以提供足够的能量。

Description

锌锰贮备电池及其制备方法
技术领域
本发明属于贮备电池领域，特别是涉及一种锌锰贮备电池及其制备方法。
背景技术
以前，我国在煤矿、井下大量采用铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池等作为备用电源的动力保证。然而，在使用中，铅酸蓄电池在存储过程中需要浮充，存在析氢析氧的隐患，不利于井下安全；而锂离子蓄电池、镍氢蓄电池等则一直受其单体间的均一性问题制约，且在使用过程中甚至存在自燃、爆炸的危险。故而，需要提供一种新的贮备电池。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术存在的不合理性，提供一种能快速激活并且输出功率大的锌锰贮备电池及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种锌锰贮备电池，所述锌锰贮备电池包括电池外壳和电解液储液箱，所述电解液储液箱通过电解液管道与所述电池外壳连接，在所述电池外壳的表面设置有正极引出端和负极引出端，所述电解液储液箱中设置有电解液；
其中所述电池外壳的内部设置有锰阳极和锌阴极；
所述锰阳极包括电解MnO2和导电碳材料，所述电解MnO2和导电碳材料的重量份数比为75～85:9～25。
在其中一个实施例中，所述锰阳极还包括添加剂，所述添加剂与所述电解MnO2的重量份数比为5～6：75～85。
在其中一个实施例中，所述导电碳材料为石墨或碳纳米管。
在其中一个实施例中，所述锌阴极为锌片或者锌粉和添加剂的混合物。
在其中一个实施例中，所述添加剂为SBR。
在其中一个实施例中，所述电池外壳的内部还设置有隔膜，所述隔膜设置在所述锰阳极和所述锌阴极的中间。
在其中一个实施例中，所述电解液为KOH或NaOH，在所述电解液中还包括缓蚀剂，所述的缓蚀剂为ZnO或In(OH)2。
一种锌锰贮备电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；
S300：根据设计规格将锰阳极和锌阴极依次层叠放置得到电极层叠体，其中锌阴极比锰阳极多一片；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
一种锌锰贮备电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后加入去离子水使其形成膏状，将上述膏状物涂抹在集流体上；
S200：制备锌阴极；将锌粉和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锌阴极；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极比锌阴极多一片；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
一种锌锰贮备电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极和锌阴极的数目相等；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的锌锰贮备电池能够快速激活，输出功率大；可以长时间连续工作；
（2）本发明的锌锰贮备电池在贮存时没有电能输出，也不存在自放电现象，故而不产生能量损耗，经过长期贮存后性能稳定，激活时仍然可以提供足够的能量；
（3）本发明的锌锰贮备电池工作温度范围宽广，能够适应不同的环境要求。
附图说明
以下结合具体附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
图1是本发明的锌锰贮备电池的整体示意图；
图2为本发明的锌锰贮备电池的电池层叠体的整体示意图；
图3为200AH的本发明的锌锰贮备电池的100h率放电曲线图。
具体实施方式
本发明的碱性锌锰贮备电池的电极活性物质与电解液在储存期间不进行任何直接的接触（即电池极片处于干荷状态），使用时通过注入电解液而使得电池激活放电，故称为贮备电池。碱性锌锰贮备电池在贮存时没有电能输出，也不存在自放电现象，故而不产生能量损耗，经过长期贮存后激活时仍然可以提供足够的能量。
参见图1和图2，本发明提供一种锌锰贮备电池，所述锌锰贮备电池包括电池外壳100和电解液储液箱200，所述电解液储液箱200通过电解液管道与所述电池外壳100连接，在所述电池外壳100的表面设置有正极引出端101和负极引出端102，所述电解液储液箱200中设置有电解液；
其中所述电池外壳100的内部设置有锰阳极103和锌阴极104；
本实施例中所述锰阳极103包括电解MnO2和导电碳材料，所述电解MnO2和导电碳材料的重量份数比为75～85:9～25。
较佳的，作为一种可实施方式，所述锰阳极还包括添加剂，所述添加剂与所述电解MnO2的重量份数比为5～6：75～85。
较佳的，作为一种可实施方式，所述导电碳材料为石墨或碳纳米管。
较佳的，作为一种可实施方式，所述锌阴极为锌片或者锌粉和添加剂的混合物。
较佳的，作为一种可实施方式，所述添加剂为SBR。
较佳的，作为一种可实施方式，所述电池外壳的内部还设置有隔膜，所述隔膜设置在所述锰阳极和所述锌阴极的中间。
较佳的，作为一种可实施方式，所述电解液为KOH或NaOH，在所述电解液中还包括缓蚀剂，所述的缓蚀剂为ZnO或In(OH)2。
本实施例中以高价态氧化物特别是以MnO2作为电池正极，耐碱性多孔膜作为隔膜，以Zn片或Zn粉作为负极，并以KOH或NaOH作为电解质。电极组装在电池盒里面，电解液放置在另外的电解液储液箱当中，最终组装成碱性锌锰贮备电池，在应急时候将电解液注入到电池盒中，快速激活电池，放电。
实施例一
所述锰阳极包括电解MnO2、导电碳材料和添加剂，所述导电碳材料为胶体石墨，所述添加剂为SBR，所述锌阴极为锌片，所述电解液为KOH，所述电解液的缓蚀剂为ZnO。
实施例一所述的锌锰贮备电池的制备方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按重量份数比为80：15：5的比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；本步骤中均匀混合处理采用的是将混合好的电解MnO2、导电碳材料和添加剂置于搅拌釜中进行搅拌分散，分散时间为2h。
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；这是为了保证贮备电池的使用寿命。
S300：根据设计规格将锰阳极和锌阴极依次层叠放置得到电极层叠体，其中锌阴极比锰阳极多一片；所述锰阳极和锌阴极依次层叠放置即一片锰阳极、一片锌阴极的方式依次层叠；锌阴极比锰阳极多一片是为了充分保证正极活性物质的利用率。
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置含饱和ZnO的6mol/L KOH溶液电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
在电解液储液箱200和电池盒中100间，设有专门的电解液通道，通过应急柱300控制，当应急柱300打开（顶穿）电解液通道时，电解液由电解液储液箱200迅速注入到电池盒100中，从而快速激活电池，进行放电。
实施例二
所述锰阳极包括电解MnO2、导电碳材料和添加剂，所述导电碳材料为胶体石墨，所述添加剂为SBR，所述锌阴极为锌片，所述电解液为NaOH，所述电解液的缓蚀剂为In(OH)2。
实施例二所述的锌锰贮备电池的制备方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、胶体石墨和SBR按重量份数比为85：9：6的比例均匀混合，然后加入去离子水使其形成膏状，将上述膏状物涂抹在集流体上；所述均匀混合处理是采用球磨机进行球磨分散，分散时间为1h；所述去离子水与所述电解MnO2的份数比为85:20～30；
S200：制备锌阴极；将锌粉和添加剂按份数比为100:10～30的比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锌阴极；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极比锌阴极多一片；锰阳极比锌阴极多一片是为了充分保证正极活性物质。
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置6mol/L NaOH溶液，并添加质量百分数比为0.5%的In(OH)2作为缓蚀剂的电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
实施例三
所述锰阳极包括电解MnO2和导电碳材料，所述导电碳材料为胶体石墨和碳纳米管，所述锌阴极为锌片，所述电解液为KOH，所述电解液的缓蚀剂为ZnO。
实施例三所述的锌锰贮备电池的制备方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、胶体石墨和碳纳米管按重量份数比为75：15：10的比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；所述均匀混合处理是采用球磨机进行球磨分散，分散时间为1h；
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极和锌阴极的数目相等；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置含饱和ZnO的浓度为6mol/L的KOH溶液作为电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
实施例四
所述锰阳极包括电解MnO2和导电碳材料，所述导电碳材料为胶体石墨和碳纳米管，所述锌阴极为锌片，所述电解液为KOH，所述电解液的缓蚀剂为In(OH)2。
其中，电解MnO2、胶体石墨和碳纳米管的重量份数比为75:5:4。制备方法同实施例三。
图3为200AH的本发明的碱性锌锰贮备电池的100h率放电曲线图。
下表为200AH的本发明的碱性锌锰贮备电池的参数表。
序号 名称 测试数据
1 开路电压(V) 1.657
2 理论容量(AH) 295.680
3 放电电流(A) 3.0
4 放电容量(AH) 274.904
5 中值电压(V) 1.217
6 电池总重(Kg) 5.635
7 利用率 92.97%
8 比能量(Wh/Kg) 59.37
本发明的锌锰贮备电池不仅能够长时间处于贮备状态，而且一旦电解液注入，则能够快速激活，在激活过程中不会放出大量的热，且几乎不产生气体，安全可靠。另外，本发明电池完全不需要浮充以及初充电即可快速激活放电，放电电压平台稳定，放电时间长。且结构简单，易于制备推广。
本发明由于采用高氧化态的MnO2作为活性物质作为电池正极，可以保证锌锰贮备电池在长期的贮存过程当中不发生变化，从而保持稳定电池容量；电池负极采用锌片或锌粉，其稳定性能良好、具有极高的比容量，负极占用体积小，使得正极体积相对增加，电池比能量大大的提高。
本发明采用高氧化态的MnO2作为正极材料，并且对其进行合理的配方及工艺设计，可以使得活性物质利用率正极达到85%以上，而对应的负极利用率甚至能高达90%，电池开路电压>1.65V，比能量高达55～65WH/Kg。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种锌锰贮备电池，其特征在于：所述锌锰贮备电池包括电池外壳和电解液储液箱，所述电解液储液箱通过电解液管道与所述电池外壳连接，在所述电池外壳的表面设置有正极引出端和负极引出端，所述电解液储液箱中设置有电解液；
其中所述电池外壳的内部设置有锰阳极和锌阴极；
所述锰阳极包括电解MnO2和导电碳材料，所述电解MnO2和导电碳材料的重量份数比为75～85:9～25。
2.根据权利要求1所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述锰阳极还包括添加剂，所述添加剂与所述电解MnO2的重量份数比为5～6：75～85。
3.根据权利要求1所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述导电碳材料为石墨或碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述锌阴极为锌片或者锌粉和添加剂的混合物。
5.根据权利要求2或4所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述添加剂为SBR。
6.根据权利要求1所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述电池外壳的内部还设置有隔膜，所述隔膜设置在所述锰阳极和所述锌阴极的中间。
7.根据权利要求1所述的锌锰贮备电池，其特征在于：所述电解液为KOH或NaOH，在所述电解液中还包括缓蚀剂，所述的缓蚀剂为ZnO或In(OH)2。
8.一种锌锰贮备电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；
S300：根据设计规格将锰阳极和锌阴极依次层叠放置得到电极层叠体，其中锌阴极比锰阳极多一片；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
9.一种锌锰贮备电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后加入去离子水使其形成膏状，将上述膏状物涂抹在集流体上；
S200：制备锌阴极；将锌粉和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锌阴极；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极比锌阴极多一片；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
S500：配置电解液，将电解液加入电解液储液箱中即可制得锌锰贮备电池。
10.一种锌锰贮备电池的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
S100：制备锰阳极；将电解MnO2、导电碳材料和添加剂按所述比例均匀混合，然后将混合物灌入耐碱性排管中，通过作为集流体的镍带引出并封好两端后制成锰阳极；
S200：制备锌阴极；将锌片按照设计面积裁制成锌阴极，所述锌阴极的设计面积大于放电量所需的理论面积；
S300：根据设计规格将锰阳极、隔膜和锌阴极依次层叠放置，所述隔膜放置在所述锰阳极和锌阴极的中间，得到电极层叠体，其中锰阳极和锌阴极的数目相等；
S400：将步骤S300得到的电极层叠体放置在电池外壳中，将锰阳极的接入端并联并连接正极引出端，将锌阴极的接入端并联并连接负极引出端，然后采用ABS胶将电池盒密封；
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