CN103400972A - 一种锌空电池电极的配方及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锌空电池电极的配方及制备方法，在锌空电池电极的制造过程中，对空气电极和锌电极的成分进行了重新配方，对锌电极成分中的聚阴离子纤维素化合物（CMC），采用纳米碳溶胶进行了预处理，从而使锌空电池的电容量大幅度增加、连续放电时间延长、使用过程中电极活性物质脱落减少，锌空电池的空载存放时间大幅度提高。

Description

一种锌空电池电极的配方及制备方法

技术领域

本发明属于新能源领域,特别涉及采用纳米碳素材料制备锌空电池电极的制造方法的发明。

背景技术

锌空电池是二十世纪六十年代发展起来的一种新型能源，在1966年，由Chodosh, Katsoulis,Rosansky就已描述过锌空气和锌氧一次电池，到了七十年代，锌空气电池的研究发展到了高潮并形成了锌空热。这一期间，国外陆续发表了许多应用于军事、海洋学、电动车辆等领域的锌空气电池系统的研究报告，例如美国的Leesona  Moos实验室就对锌空气电池进行了大量的研究和实验工作，为锌空气电池的发展作出了突出贡献。但是，八十年代后由于锌空气电池出现的一系列技术关键问题无法解决而阻止了它的发展与应用，到了九十年代中后期以后，随着研究的进一步深入，在突破了一些影响锌空气电池性能的关键技术后，锌空气电池凭其优越的性能特点及较低的成本。再一次在国外掀起了一阵新的研究热潮，并在军民两用的许多领域获得了较为广泛的应用。国内对于锌空电池的研究起步较晚，到目前为止，也仅有少数几家企业和研究机构对锌空气电池先后进行过一些研究。

锌空电池是一次使用的化学电源，它的正极（空气电极）是以空气中的氧作为活性物质，负极活性物质是金属锌粉，电解液是KOH水溶液。电池可做成干荷式电池，在使用前加入电解液，浸泡15分钟左右即可使用，几秒钟内正常供电。锌空电池具有比能量高（理论比能量为1350Wh/Kg，实际比能量可达350Wh/Kg），是当前实际使用电池比能量最高的电池品种之一。且电压平稳、使用温度范围宽（-30～60℃），工作时间长，无污染，在使用过程中不会对人体和环境产生污染，使用完的废电池也不会对环境造成污染。

由于锌空电池是一次性免冲电池，其最主要的质量问题是电池的连续使用时间以及使用寿命（这里的使用寿命包含使用时间和存放时间）。如何提高锌空电池的连续使用时间和存放时间是锌空电池研究的主要方向。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种锌空电池电极的配方及制备方法。本发明的目的在于寻找一种锌空电池电极的新配方和制作方法，以达到大幅度提高锌空电池的连续使用时间和存放时间。

在新型锌空电池电极的制造过程中，主要是对空气电极和锌电极的成分进行了重新配方，在空气电极和锌电极中军添加了纳米碳粉，并对锌电极成分中的聚阴离子纤维素化合物(CMC) ，采用纳米碳溶胶进行了预处理（用浓度为0.45~0.65的纳米碳熔胶，将聚阴离子纤维素化合物(CMC)在35-50℃的处理槽中浸泡24小时，然后在80-100℃的烘干箱中烘干），从而使锌空电池的连续放电时间增加、使用寿命延长。

一、锌空电池空气电极的配方及制备方法

1、锌空电池空气电极配方

常规的锌空电池的空气电极，主要由防水层、催化层组成，防水层的主要成分为：无水硫酸钠（300目）、PTFE（60%）、工业酒精；催化层的主要成分为：银催化粉、工业酒精、无水硫酸钠（55目）、活性炭、石墨粉、聚四氟乙烯 （PTFE）（60%），本发明主要是对催化层的配方进行了创新，在催化层上述配方的基础上，添加了少量的颗粒尺寸为15纳米以下的石墨碳粉，众所周知，纳米石墨碳粉具有极强吸附力，能够大幅度增强活性物资的表面活性，在锌空电池空气电极中加入纳米石墨碳粉以后，大幅度提高了锌空电池空气电极的结合强度和活性物质的活性，从而防止了锌空电池空气电极在使用过程中活性物质脱落，提高了空气电极使用寿命，活性物质的活性增加也使锌空电池的实际比能量得到大幅度提高。

本发明的锌空电池空气电极的配方如下：

防水层：无水硫酸钠（300目）：20-26%、聚四氟乙烯 PTFE（60%）：20-26%、工业酒精：40-60%、浓度为0.35-0.6%的纳米溶胶：2-5%；

催化层：银催化粉：4-8%、工业酒精：40-65%、无水硫酸钠（55目）：10-15%、活性炭：12-16%、石墨粉：2-3%、聚四氟乙烯 PTFE（60%）：5-8%、颗粒度小于15nm的纳米碳粉0.5-2%、浓度为0.35-0.6%的纳米溶胶2-5%，离子水：适量。

2、锌空电池空气电极的制作方法如下：

a、防水层：将原料按照上述配方拌匀后在滚压机上进行滚压，使其达到厚度：δ=0.2～0.5mm，尺寸：用白片裁剪模板裁剪（ 50×100 mm）。

b、催化层：将原料按照上述配方拌匀后在滚压机上进行滚压，使其达到厚度：δ=0.20～0.5mm，尺寸：用黑片裁剪模板为准裁剪（35×100 mm）。

c、空气电极骨架准备：

① 裁网尺寸：以裁网模板为准

② 紫铜丝长度：450 mm(模板绕)

③ 每片网穿两根紫铜丝

④ 骨架电镀银，镀好后的骨架其发红、发黑面积不得大于骨架面积的1/6。

d、合片：三合一

e、煮片、烘片：硫酸钡检测空气电极煮片情况。

f、检验：100%检查空气电极合成情况。

二、锌空电池锌电极的配方及制备方法

常规的锌空电池的锌电极成分，主要由a、高能无汞电池锌粉、CMC、MgO、木粉、去离子水组成，本发明在一是在配方中加入了少量的纳米石墨碳粉，二是对成分中的CMC进行了预处理，其主要原理如下：

在锌电极中加入少量纳米石墨碳粉的主要目的是提高电极中各组成分的结合强度，减少电池在使用过程中活性物质脱落，同时进一步提高活性物质的活性，使电池的性能得以提高。      

本发明对锌空电池性能影响最大的是采用纳米碳溶胶对聚阴离子纤维素化合物（CMC）材料进行了预处理，聚阴离子纤维素化合物（CMC）是天然纤维经过化学改性后所获得的一种水溶性好的聚阴离子纤维素化合物，是锌空电池中锌电极制造的重要材料，它在锌空电池中的主要作用是形成临界胶束浓度，所谓临界胶束浓度（critical micell concentration cmc）是指表面活性剂分子在溶剂中缔合形成胶束的最低浓度，表面活性剂的表面活性源于其分子的两亲结构，亲水基团使分子有进入水的趋向，而憎水基团则竭力阻止其在水中溶解而从水的内部向外迁移，有逃逸水相的倾向，而这两倾向平衡的结果使表面活性剂在水表的富集，亲水基伸向水中，憎水基伸向空气，其结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖，从而导致水的表面张力下降。表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层，当表面吸附达到饱和时，表面活性剂分子不能在表面继续富集，而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃离水环境，于是表面活性剂分子则在浓液内部自聚，即疏水基在一起形成内核，亲水基朝外与水接触，形成最简单的胶团。而开始形成胶团时的表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度，当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降至最低值 ，此时再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团，此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力。在锌空电池中，CMC的作用就是在锌空电池使用中形成临界胶束浓度，这个浓度决定了锌电极在使用过程中锌的氧化速度（即锌电极的使用寿命），临界胶束浓度值的大小还决定了锌空电池的连续放电时间，即锌空电池的使用寿命。

纳米碳溶胶中的纳米碳颗粒是一种具有极强吸附力，能够大幅度增强表面活性剂的表面活性，将聚阴离子纤维素化合物（CMC）采用纳米石墨碳溶胶进行预处理（在45℃下浸泡24h）后，纳米碳颗粒将充分吸附在聚阴离子纤维素化合物（CMC）上，使处理后的聚阴离子纤维素化合物（CMC）产生四个效果，一是改变了临界胶束浓度值，使锌空电池中的活性剂在锌电极的吸附浓度增强，二是使锌空电池中的活性剂的活性进一步增加，三是使锌电极的结合强度提高，锌电极活性物质在使用过程中不易脱落，四是锌电极中锌的氧化速度下降，这些效果大幅度提高了锌空电池的连续放电时间和使用寿命。     

1、锌空电池锌电极的配方：

高能无汞电池锌粉：5-7%；颗粒为8nm以下的纳米碳溶胶0.5-2%；颗粒为15nm以下的纳米碳粉1.5-3%；经预处理后的聚阴离子纤维素化合物（CMC）：18-25%；氧化镁（MgO）：8-12%；木粉：50-75%；去离子水：适量。

2、锌空电池锌电极的制作方法

a、聚阴离子纤维素化合物（CMC）的预处理：将聚阴离子纤维素化合物（CMC）放入恒温温度为35-50℃、浓度为0.35-0.6的纳米碳溶胶处理槽中浸泡24小时，然后在80-100℃的烘干箱中烘干。

b、电极的制作：按常规工艺制作电极。

① 锌电极骨架制备：锌电极骨架尺寸以骨架裁剪模具为准裁剪成型。引出线：紫铜丝240mm，每片网穿一根铜丝(以铜丝缠绕模板为准)；

② 引出线：紫铜丝240mm，每片网穿一根铜丝(以铜丝缠绕模板为准)；

③ 包封纸（云母带原纸）：尺寸：225×150mm,用包封纸模板缠绕裁剪；

④ 制浆、涂片：按上述配方制成浆料，在涂片机上均匀涂布；

⑤压片、烘片：涂好的锌片用力压平后，进烘箱烘至干透。

Claims (4)

1.一种锌空电池电极的配方，包括空气电极配方和锌电极配方，其特征在于：

   (A) 空气电极配方由防水层和催化层组成，其中：防水层由无水硫酸钠（300目）：20-26%、聚四氟乙烯（PTFE）（60%）：20-26%、工业酒精：40-60%、纳米溶胶：2-5%组成；催化层由银催化粉：4-8%、工业酒精：40-65%、无水硫酸钠（55目）：10-15%、活性炭：12-16%、石墨粉：2-3%、聚四氟乙烯（PTFE）（60%）：5-8%、纳米碳粉：0.5-2%、纳米溶胶：2-5%和适量离子水组成；

   (B) 锌电极配方由高能无汞电池锌粉：5-7%、颗粒度为8nm以下的纳米碳溶胶：0.5-2%、颗粒为15nm以下的纳米碳粉：1.5-3%、聚阴离子纤维素化合物（CMC）：18-25%、氧化镁（MgO）：8-12%、木粉：50-75%和适量去离子水组成。

2.根据权利要求1所述的一种锌空电池空气电极的配方，其特征在于，所述的催化层还添加了颗粒尺寸为15纳米以下的石墨碳粉。

3.根据权利要求1所述的一种锌空电池锌电极的配方，其特征在于，所述的聚阴离子纤维素化合物（CMC）是采用纳米碳溶胶进行了预处理后的，即纳米熔胶的浓度为0.35~0.6%。

4.一种锌空电池电极的制备方法，所述制备方法是对锌空电池的空气电极和锌电极的成分进行了重新配方，包括以下步骤：

（A）锌空电池空气电极的制作方法：

    （a）防水层：将原料按照上述配方拌匀后在滚压机上进行滚压，使其达到厚度：δ=0.2～0.5mm，尺寸：用白片裁剪模板裁剪（50×100 mm）；

（b）催化层：将原料按照上述配方拌匀后在滚压机上进行滚压，使其达到厚度：δ=0.20～0.5mm，尺寸：用黑片裁剪模板为准裁剪（35×100 mm）；

（c）空气电极骨架准备：

① 裁网尺寸：以裁网模板为准；

② 紫铜丝长度：450 mm（模板绕）；

③ 每片网穿两根紫铜丝；

④ 骨架电镀银，镀好后的骨架其发红、发黑面积不得大于骨架面积的1/6；

（d）合片：三合一；

（e）煮片、烘片：硫酸钡检测空气电极煮片情况；

（f）检验：100%检查空气电极合成情况；

（B）锌空电池锌电极的制作方法：

    （a）聚阴离子纤维素化合物（CMC）的预处理：将聚阴离子纤维素化合物（CMC）放入恒温温度为35-50℃的处理槽中浸泡24小时，然后在80-100℃的烘干箱中烘干；

    （b）电极的制作：

① 锌电极骨架制备：锌电极骨架尺寸以骨架裁剪模具为准裁剪成型；

② 引出线：紫铜丝240mm，每片网穿一根铜丝(以铜丝缠绕模板为准)；

③ 包封纸（云母带原纸）：尺寸：225×150mm,用包封纸模板缠绕裁剪；

④ 制浆、涂片：按上述配方制成浆料，在涂片机上均匀涂布；

⑤ 压片、烘片：涂好的锌片用力压平后，进烘箱烘至干透。