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魏安康
朱梅
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Abstract

本发明所述的一种带有微孔膜的锌空气电池，与现有技术相比解决了锌空气电池在放电过程中气体扩散电极暴露于空气中，受环境影响易失水的缺陷。本发明包括电池槽（6）和安装于电池槽（6）上部的集流体（5），集流体（5）上平铺锌膏（4），锌膏（4）上通过隔膜（3）装有空气极，所述的空气极由微孔膜（1）覆盖气体扩散电极（2）组成。本发明由于微孔膜为锌空气电池与外界氧气和水蒸汽交换的唯一通通，从而保证氧气的正常通透，又使得水蒸汽难以散失，改善了电池的性能，提高了电池的寿命。

Description

一种带有微孔膜的锌空气电池
 
技术领域
 本发明涉及锌空气电池，具体来说是一种带有微孔膜的锌空气电池。
 
背景技术
  现有技术中，传统的锌空气电池是由金属锌、集流体、隔膜纸、气体扩散电极、塑料电池槽和电解液组成，气体扩散电极和金属锌分别构成电池的正极和负极。而这种电池结构的设计，其气体扩散电极和部分电解液均暴露于空气中，电池的工作易受外界环境因素的影响，特别是电池的失水对其工作性能影响更为严重。由于锌空气电池适宜在“富液”的状态下工作，其反应面主要位于固、液、气三相交界处，一旦环境过于干燥，水分蒸发加速，电池失水过多，则性能必然会大大下降，短路、电极击穿等现象也会容易发生。因此，传统的电池制作工艺已难以维持其长时间正常工作。如何开发出一种在保证电池工作性能的同时，维持其水分不易蒸发的锌空气电池已经成为急需解决的问题。
  
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中锌空气电池在放电过程中气体扩散电极暴露于空气中，受环境影响易失水的缺陷，提供一种带有微孔膜的锌空气电池来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种带有微孔膜的锌空气电池，包括电池槽和安装于电池槽上部的集流体，集流体上平铺锌膏，锌膏上通过隔膜装有空气极，所述的空气极由微孔膜覆盖气体扩散电极组成。
还包括聚乙烯塑胶，所述的聚乙烯塑胶将微孔膜与电池槽粘连在一起。
还包括夹紧件和O型密圏，所述的O型密圏压在微孔膜和电池槽之间，并通过夹紧件进行固定。
所述的微孔膜上具有通孔。
所述的微孔膜材料为不锈钢。
所述的电池槽内装有电解液。
所述的气体扩散电极和集流体分别通过导线引出作为电池的正负极。
所述的通孔直径为5um至20um。
所述的通孔之间的间距为100um至400um。
 
有益效果
本发明的一种带有微孔膜的锌空气电池，与现有技术相比在锌空气电池正常工作时，有效地减少了水分的蒸发。由于微孔膜为锌空气电池与外界氧气和水蒸汽交换的唯一通通，从而保证氧气的正常通透，又使得水蒸汽难以散失，保证了电池在不补液的情况下，长期维持在“富液”的状态下工作。改善了电池的性能，提高了电池的寿命，解决了实际工作中需要不断补液而带来的困扰。
 
附图说明                      
图1为本发明的结构示意图
其中，1-微孔膜、2-气体扩散电极、3-隔膜、4-锌膏、5-集流体、6-电池槽、7-聚乙烯塑胶、9-电解液。
图2为本发明的另一种实施方式结构示意图
其中，8-O型密圈、10-夹紧件。
图3为本发明的微孔膜。
其中，11为通孔。
图4为微孔膜对锌空气电池放电性能的影响图
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种带有微孔膜的锌空气电池，主要包括由微孔膜1覆盖气体扩散电极2组成的空气极、由集流体5敷锌膏4构成的锌电极、隔膜3和电池槽6。其中气体扩散电极2和集流体5分别通过导线引出作为电池的正负极，在水平放置底部密封的电池槽6上依次放置集流体5，平铺锌膏4，覆盖隔膜3，并注入一定量的电解液9，可以让电池使用效果更好，再覆盖气体扩散电极2和微孔膜1，最后用聚乙烯塑胶7将微孔膜1和电池槽6四周密封起来。
如图3所示，所述的微孔膜1上具有通孔11，其材料为不锈钢，厚度为0.5mm，整片膜外尺寸为210mm×110mm，其中微孔经过激光穿击而成，小孔形状为圆形，其直径为5um至20um，孔间距为100um至400um，微孔居中分布于整片膜上，其分布尺寸为190mm×90mm。边界各留10mm以方便密封于电池槽上。微孔膜具备保水透气的功效，在氧气正常通过的同时，水蒸汽却难以蒸发，使得整块单电池长期维持在“富液”状态，改善了电池的性能。
利用恒流放电仪对装上微孔膜的锌空气电池来进行检测可以发现，其失水量大大减少，从其电压性能图上也可以发现其电压性能效果比无膜时更好。电池失水量的计算可以采用如下方式：电池在整个放电过程中，会与外界的氧气和水蒸汽进行交换。所以依据电池工作前后质量变化和电量的大小，即可推算出电池水分的交换量。
其中电量                                                
Figure 2013101265880100002DEST_PATH_IMAGE001
 
电子数 
Figure 738347DEST_PATH_IMAGE002
分子数 
Figure 195873DEST_PATH_IMAGE004
 
Figure 823295DEST_PATH_IMAGE003
摩尔数 
Figure 708074DEST_PATH_IMAGE003
质量 
Figure 975108DEST_PATH_IMAGE006
电池工作2h，吸收5.98g氧气，减去电池工作前后的质量变化，便可得出电池的失水量。
具体检测过程如下：在环境温度为20℃±1℃，相对湿度60%±5%，空气流通速度7.0m/s时，以10A电流恒流放电2h，覆盖不同规格微孔膜和不覆盖微孔膜对锌空气电池失水的影响和分别如下表1。其中膜I微孔直径5um，孔间距400um；膜II微孔直径10um，孔间距200um；膜III微孔直径20um，孔间距100um。其性能影响如图4所示，装有微孔膜后的电压性能与未装微孔膜电池的电压性能基本相同，甚至在特定微孔直径和孔间距的情况下，装有微孔膜电池的电压性能比未装微孔膜电池的电压性能要更好，达到了保证失水量减少的情况下，又有优秀的电压性能。
表1  微孔膜对锌空气电池失水的影响
Figure DEST_PATH_IMAGE007
所述气体扩散电极2，是由以泡沫镍为集流体，靠近微孔膜1的气体扩散层和靠近电解液8的催化层组成。其中，气体扩散层是将乙炔黑、活性炭、石墨和PTFE乳液（30%wt）按重量比为6∶3∶4∶87的比例混合，催化层是将乙炔黑、活性炭、石墨、二氧化锰和PTFE乳液（30%wt）按重量比为6∶5∶28∶34∶28的比例混合，分别涂抹于泡沫镍两面，经150℃高温烘烤20-50分钟，并辊压至厚度为2㎜。将气体扩散电极2和隔膜3裁剪成200mm×95mm大小的矩形。也可参照现有公开技术如《化学电源》（中南大学出版社，2000年，P126－133）中所述的方法制作。
所述隔膜3是隔离气体扩散电极2和锌膏4的部件，通常采用耐碱隔膜纸或尼龙布制成。所述锌膏4是由碱性电池专用锌粉、浓度为33%的KOH溶液和聚丙烯酸钠粉末按重量比为60%∶39%∶1%的比例调和成膏糊状，存放并不断搅拌，1天后即成锌膏4。所述集流体5是采用金属导体铜制成的薄板，铜作为一种导电性能佳、散热快的金属，适合作为收集、输出电流的电极。所述塑料电池槽6是由塑料注塑而成。本实施例中采用工程塑料注塑电池槽，电池槽的内部尺寸为200mm×95mm，槽内深5mm。电池槽底部密封，确保电池只能通过上端的微孔膜1吸收氧气。所述聚乙烯塑胶7是用来密封电池，确保整块电池中，只有上层的微孔膜1是其与外界氧气和水蒸汽交换的唯一通道。聚乙烯具有优良的耐低温性能,且化学稳定性好，耐大多数酸碱的侵蚀，电绝缘性能优良，适合作为密封材料。所述电解液9为质量浓度为33%的KOH溶液。
本发明的第一个实施方式是，先将集流体5水平放置于底部密封的塑料电池槽6内，其上平铺一层锌膏4，其厚度约为3mm，上面覆盖两层隔膜3，注入一定量的电解液9，使其润湿隔膜3，然后盖上气体扩散电极2，使其均匀与隔膜接触，然后覆盖上微孔膜1，最后使用聚乙烯塑胶7密封微孔膜1与塑料电池槽6，确保整块电池中微孔膜1是其与外界进行氧气和水蒸汽交换的唯一通道。在这种结构下，将电池平放，微孔膜1面向上方，正负极引出的导线与负载相连，电池便可以正常工作。本实施例中单电池开路电压约为1.4V，额定输出为1V-10A。当需要高电压电流时，可以取多只单电池，分别叠放在一起，并以此将其正负极引出的导线串联，则可实现锌空气电池电池组的工作。在环境温度20℃，相对湿度60%，电池表面风速7.0m/s的环境下，分别对不覆盖微孔膜和覆盖微孔膜的单电池以10A的电流恒流放电2h，可得其失水量分别为5.89g和3.33g。由结果可知，在一定工作范围内，覆盖微孔膜可使锌空气电池失水量减少将近一半。
本发明的第二个实施方式是如图2所示，电池槽6、集流体5、锌膏4、电解液9、隔膜3、气体扩散电极2的连接方式与实施例一是一样的，材料和实施方法均相同。不同的是密封微孔膜1使用夹紧件10通过O型密封圈8使其与电池槽6夹紧。所述的微孔膜1和电池槽6之间压有O型密圏8，并通过夹紧件10进行固定。所述O型密封圈8其材料为硅橡胶，化学性质稳定，密封性能良好，且随着压力和温度的增加，可自动提高密封性能，适合于静态密封。其夹在微孔膜和电池槽之间，起到更好的密封效果。所述夹紧件10，为将的微孔膜1和电池槽6夹紧的部件，可以为卡夹或多种方式，也可以为公称直径M1.6的螺钉、螺母和垫圈。使用夹紧件10在电池槽四周固定微孔膜1，更加确保电池整体的密封性能。
本发明所述的带有微孔膜的锌空气电池通过微孔膜与外界进行物质交换，正极所需要的氧气能够正常通过，而电池反应及发热生成的水蒸汽却难以“排出”，从而使电池较长时间的维持在“富液”的状态下工作，一定程度上改善了电池的工作性能，延长了电池工作的寿命。在锌空气动力电池驱动电动车的应用中，该发明装置也解决了电池在恶劣环境中失水多而需要不断补液的困扰。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。  

Claims (9)

1.一种带有微孔膜的锌空气电池，包括电池槽（6）和安装于电池槽（6）上部的集流体（5），集流体（5）上平铺锌膏（4），锌膏（4）上通过隔膜（3）装有空气极，其特征在于：所述的空气极由微孔膜（1）覆盖气体扩散电极（2）组成。
2.根据权利要求1所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：还包括聚乙烯塑胶（7），所述的聚乙烯塑胶（7）将微孔膜（1）与电池槽（6）粘连在一起。
3.根据权利要求1所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：还包括夹紧件（10）和O型密圏（8），所述的微孔膜（1）和电池槽（6）之间压有O型密圏（8），并通过夹紧件（10）进行固定。
4.根据权利要求1所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的微孔膜（1）上具有通孔（11）。
5.根据权利要求4所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的微孔膜（1）材料为不锈钢。
6.根据权利要求1所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的电池槽（6）内装有电解液（9）。
7.根据权利要求1所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的气体扩散电极（2）和集流体（5）分别通过导线引出作为电池的正负极。
8.根据权利要求4所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的通孔（11）直径为5um至20um。
9.根据权利要求4所述的带有微孔膜的锌空气电池，其特征在于：所述的通孔（11）之间的间距为100um至400um。
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