CN107093750A - 一种组合物及其用途以及锌锰电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合物，所述组合物包括氯化锌、黄嘌呤衍生物和喹啉衍生物或异喹啉衍生物，该组合物可用于锌锰电池的电解液；此外，本发明还公开了一种电解液包括所述组合物的锌锰电池。本发明的组合物具有优异的缓蚀效果和良好的导电性，其作为锌锰电池的电解液使用时，可以在非工作状态时抑制负极材料自放电性能从而可以降低电池的自损耗、大大延长电池的使用寿命，而在电池工作中由于导电性能良好可以发挥出正常的电池性能；更为重要的是，该组合物不含有重金属汞，避免了废弃电池可能带来的重金属污染，降低了后续处理成本和环境污染风险。

Description

一种组合物及其用途以及锌锰电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及可用于锌锰电池电解液的组合物、该组合物的用途以及由其制备的锌锰电池。
背景技术
锌锰电池是以二氧化锰为正极，锌为负极，氯化铵水溶液为主电解液的原电池，俗称干电池。锌锰电池是用面粉、淀粉等使电解液成为凝胶，不流动，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。
锌锰干电池一般可分为酸性锌锰干电池和碱性锌锰电池，酸性锌锰干电池是以锌筒作为负极，并经汞齐化处理，使表面性质更为均匀，以减少锌的腐蚀，提高电池的储藏性能，正极材料是由二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物。正极材料中间插入一根炭棒，作为引出电流的导体。在正极和负极之间有一层增强的隔离纸，该纸浸透了含有氯化铵和氯化锌的电解质溶液，金属锌的上部被密封。这种电池是19世纪60年代法国的勒克兰谢 (Leclanche)发明的，故又称为勒克兰谢电池或炭锌干电池；碱性锌锰电池简称碱锰电池，它是在1882年研制成功，1912年就已开发，到了1949年才投产问世。人们发现，当用KOH 电解质溶液代替NH4Cl做电解质时，无论是电解质还是结构上都有较大变化，电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高。
汞齐化是指汞在室温下能与固体状态下的金属粉末经调和后形成合金，这种合金化的过程称为汞齐化。锌粉汞齐化后形成的汞齐化膜可将锌粉表面覆盖均匀平整，从而改变了锌粒表面状况，使锌电极活化，从而提高电池的电性能，降低电池的漏液率。在电池放电过程中，汞则在锌粒表面不断向锌粒内部扩散，因此，使放电平稳。所以，在汞齐化率低的条件下，要保持锌粉耐蚀性，就必须添加适量的能提高氢过电位，阻制汞在电池放电前向锌拉子内部扩散的微量元素，并在不影响放电反应范国内，适当减少锌粉比表面积。
汞由于其高毒性及污染性现在都在寻求其合适的替代物，为此研究者进行了各种尝试，首先是人们考虑从材料入手，试图从负极材料合金化、利用一些元素来替代汞元素；其次是人们也尝试通过锌电极的环境改变电极的使用寿命，最突出的就是采用缓蚀剂的方法，利用有机物质抑制锌的腐蚀，来替代汞以减缓锌自放电，在诸多的方案中，这些技术在不同程度上推动了电池技术的进步，推进了无汞化的技术进程。可是，与含汞电池的优势相比还有一定的差距，因此，研究一种性能可替代汞，又能具备含汞电池优势的材料是本领域亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可抑制负极材料自放电并且导电性能优异的组合物和其用途以及由其制作的锌锰电池。
为了达到上述目的，本发明所采用的方案为：
一种组合物，所述组合物包括氯化锌、黄嘌呤衍生物和喹啉衍生物或异喹啉衍生物；
所述黄嘌呤衍生物具有以下结构式：
其中，R1为H或甲基,R2为H或甲基,R3为H或甲基,X为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根或乳酸根；
所述喹啉衍生物具有以下结构式：
所述异喹啉衍生物具有以下结构式：
其中，R1为烷基，R2为H或甲基，n为1-10的数值，X为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根或乳酸根。
该组合物具有优异的导电性，还可以赋予电解液抑制负极材料自放电的性能，其在非工作状态尽可能是降低负极材料的自放电，这将大大延长电池的使用寿命；而在使用时由于其优异的导电性能则可以使电池具备良好的性能。
优选地，所述组合物中各组分的含量分别为：氯化锌20-40wt％、黄嘌呤衍生物20-40wt％，喹啉衍生物或异喹啉衍生物20-40wt％。采用该重量百分比的组合物具有最佳的电学性能。
优选地，所述黄嘌呤的衍生物中的阳离子部分具有以下结构式之一：
。采用上述结构后可以使组合物的性能更佳。
优选地，所述黄嘌呤衍生物来自植物的提取物，所述植物为茶叶、可可或咖啡。采用天然原料可以降低成本。
优选地，所述喹啉衍生物或异喹啉衍生物来自天然喹啉或天然异喹啉与环氧乙烷反应的产物。采用天然原料可以降低成本。
进一步地，所述组合物的缓蚀效率不低于75％。
上述组合物的用途，所述组合物可用于锌锰电池的电解液。由于该组合物具有优异的缓蚀效果和良好的导电性能，其用于锌锰电池的电解液时可以很好达到或超过现有含汞电池的性能而不会具有汞的缺点。
一种锌锰电池，该锌锰电池的电解液包括上述的组合物；组合物作为电解液使用。
本发明的组合物具有优异的缓蚀效果和良好的导电性，其作为锌锰电池的电解液使用时，可以在非工作状态时抑制负极材料自放电性能从而可以降低电池的自损耗、大大延长电池的使用寿命，而在电池工作中由于导电性能良好可以发挥出正常的电池性能；更为重要的是，该组合物不含有重金属汞，避免了废弃电池可能带来的重金属污染，降低了后续处理成本和环境污染风险。
具体实施方式
为了使本领域技术人员可以更好地理解本发明的发明构思，从而对本发明的保护范围作出更清楚地限定，下面对本发明进行详细说明。
一种组合物，该组合物主要由三种组分组成，具体来说有：氯化锌、黄嘌呤衍生物，以及喹啉衍生物或异喹啉衍生物(喹啉衍生物和异喹啉衍生物可以单独按比例组合)；各组分的重量百分比为：氯化锌25-40wt％，黄嘌呤衍生物20-40wt％，喹啉衍生物和/或异喹啉衍生物 10-40wt％；
所述黄嘌呤衍生物具有以下化学结构式：
其中，R1为H或甲基,R2为H或甲基,R3为H或甲基,X(即阴离子部分)为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根、乳酸根或其他酸根；
所述喹啉衍生物具有以下结构式：
异喹啉衍生物具有以下结构式：
其中，R1为烷基，R2为H或甲基，n为1-10的数值，X为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根或乳酸根。
其中，所述黄嘌呤的衍生物中的阳离子部分具有以下结构式之一：
在某些实施例中，所述黄嘌呤衍生物来自植物的提取物，所述植物为茶叶、可可或咖啡；喹啉衍生物或异喹啉衍生物来自天然喹啉或天然异喹啉与环氧乙烷反应的产物，反应温度控制为70度，反应时间5小时。该组合物的缓蚀效率不低于75％。
上述的组合物的用途，其可被用作锌锰电池电解液。
一种锌锰电池，该锌锰电池的电解液为上述的组合物。
下面结合几组不同的配比来对本发明的技术方案做进一步的阐述：
实施例1
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分；黄嘌呤衍生物：30wt％，异喹啉衍生物40wt％，氯化锌30wt％；黄嘌呤衍生物的阳离子分子结构为：
其阴离子部分为醋酸根离子；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
实施例2
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分；黄嘌呤衍生物：40wt％，异喹啉衍生物40wt％，氯化锌20wt％；黄嘌呤衍生物阳离子部分的分子结构为：
阴离子部分为乳酸根；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
实施例3
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分；黄嘌呤衍生物35wt％，喹啉衍生物35wt％，氯化锌30wt％；黄嘌呤衍生物阳离子部分的分子结构为：
阴离子部分为柠檬酸根；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
实施例4
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分；黄嘌呤衍生物40wt％，异喹啉衍生物20wt％，氯化锌40wt％；阳离子部分的分子结构为：
阴离子部分为苹果酸；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
实施例5
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分:黄嘌呤衍生物35wt％，异喹啉衍生物30wt％，氯化锌35wt％；阳离子部分的分子结构为：
阴离子部分为氯离子；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
实施例6
用于锌锰电池的电解液，包括以下组分：黄嘌呤衍生物38wt％，异喹啉衍生物30wt％，氯化锌32wt％；阳离子部分的分子结构为：
阴离子部分为硫酸根离子；
在室温条件下对各组分按照上述配比进行称重，搅拌混合即得电解液，搅拌机的转速为 1000～2000r/min。
将实施例1至6制备获得的电解液的测试，结果如下表所示：
通过上述数据，可见本发明的组合物制成的电解液具有优异的导电性，并且缓蚀效率高，极大地改善了用户对产品的使用效果，降低负极材料的自放电、大大延长电池的使用寿命，并且由于不含汞而不会产生环境污染也可以降低废弃处理成本。

Claims (8)

1.一种组合物，其特征在于，所述组合物包括氯化锌、黄嘌呤衍生物和喹啉衍生物或异喹啉衍生物；
所述黄嘌呤衍生物具有以下结构式：
其中，R1为H或甲基,R2为H或甲基,R3为H或甲基,X为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根或乳酸根；
所述喹啉衍生物具有以下结构式：
所述异喹啉衍生物具有以下结构式：
其中，R1为烷基，R2为H或甲基，n为1-10的数值，X为氯离子、硫酸根离子、醋酸根、柠檬酸根、苹果酸根或乳酸根。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物中各组分的含量分别为：氯化锌20-40wt％、黄嘌呤衍生物20-40wt％和喹啉衍生物或异喹啉衍生物20-40wt％。
3.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述黄嘌呤的衍生物中的阳离子部分具有以下结构式之一：
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述黄嘌呤衍生物来自植物的提取物，所述植物为茶叶、可可或咖啡。
5.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述喹啉衍生物或异喹啉衍生物来自天然喹啉或天然异喹啉与环氧乙烷反应的产物。
6.根据权利要求1-5任一项所述的组合物，其特征在于，所述组合物的缓蚀效率不低于75％。
7.根据权利要求1至5任一项所述的组合物的用途，其特征在于，所述组合物可用于锌锰电池电解液。
8.一种锌锰电池，其特征在于，所述锌锰电池的电解液包括权利要求1-6任一项所述的组合物。
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