CN107452940A - 一种液流三电极可充锌空电池 - Google Patents

一种液流三电极可充锌空电池 Download PDF

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Abstract

本发明提出了液流三电极可充锌空电池，该液流三电极可充锌空电池包括：电解液储液槽；正极，该正极环绕在电解液储液槽的四周，且正极和电解液储液槽限定出电解空间；电解液，该电解液填充在电解空间内；充电电极，该充电电极的至少一部分设置在电解液中；以及锌负极，该锌负极的至少一部分设置在电解液中，并且该锌负极为镀铅、镀镉或镀铟的集流体。本发明所提出的液流三电极可充锌空电池，其使用寿命更长，制作难度及成本更低，利于产业化，且充放电过程中电循环库伦效率保持不变。

Description

一种液流三电极可充锌空电池
技术领域
本发明涉及锌空电池技术领域，具体的，本发明涉及液流三电极可充锌空电池。
背景技术
现有的二次锌空电池多为两电极体系，即充放电采用一种正电极，该正电极在充电时可辅助析氧，而在放电时可将空气中的氧气催化还原，具有双重作用，该正电极可以为采用具有双功能催化作用的催化剂制备而得到的空气电极。但是，由于空气电极在电池中还起到防水透气的作用，而在充电过程中随着氧气的析出，从而会使空气电极的结构发生改变而降低电极防水透气性能，最终缩短电池寿命。
所以，现阶段的锌空电池的设计仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本申请的发明人在研究过程中发现，由于充电过程中正极随着氧气的析出而其防水透气性能会有所降低，所以发明人设计了三电极体系的锌空电池，其中新增加的充电电极可在充电过程中替代正极，从而可有效地保护正极的防水透气性能，进而延长该可充电的锌空电池的使用寿命。并且，正极只需使用氧化还原催化剂即可，从而避免了使用昂贵的双功能催化剂，大幅地降低电池的制作难度及成本，利于产业化。还有，锌负极采用镀铅、镀镉或镀铟的集流体，可有效地保持充放电过程中电循环库伦效率。
有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种的可充放电循环使用、使用寿命长、充放电效率不变或成本降低的液流三电极可充锌空电池。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种液流三电极可充锌空电池。
根据本发明的实施例，所述液流三电极可充锌空电池包括：电解液储液槽；正极，所述正极环绕在所述电解液储液槽的四周，且所述正极和所述电解液储液槽限定出电解空间；电解液，所述电解液填充在所述电解空间内；充电电极，所述充电电极的至少一部分设置在所述电解液中；以及锌负极，所述锌负极的至少一部分设置在所述电解液中，并且所述锌负极为镀铅、镀镉或镀铟的集流体。
发明人意外地发现，本发明实施例的液流三电极可充锌空电池，该三电极体系的锌空电池的充电电极可在充电过程中替代正极，从而可有效地保护正极的防水透气性能，进而延长该可充电的锌空电池的使用寿命，并且正极只需使用氧化还原催化剂即可，从而避免了使用昂贵的双功能催化剂，大幅地降低电池的制作难度及成本、利于产业化，还有，以镀铅、镀镉或镀铟的集流体作为锌负极，可有效地保持充放电过程中电循环库伦效率。
另外，根据本发明上述实施例的液流三电极可充锌空电池，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述锌负极进一步包括：金属基体；基底层，所述基底层形成在所述金属基体的表面，并且所述基底层是由铅、镉和铟中的一种组成的；以及锌层，所述锌层形成在所述基底层之上。
根据本发明的实施例，所述金属基体为铜网或镍网。
根据本发明的实施例，所述正极为空气电极。
根据本发明的实施例，所述充电电极的表面形成有二氧化铈和四氧化三钴中的一种。
根据本发明的实施例，所述电解液包括至少10g/L的氧化锌、100～550g/L的支持电解质、0.01～10g/L的添加剂和水；其中，所述支持电解质包括选自氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种；所述添加剂包括无机添加剂和有机添加剂的至少一种，所述无机添加剂包括选自Sn2+、Pb2+、Bi3+、In3+、K2CO3和KF中的至少一种，所述有机添加剂包括选自明胶、硫脲、十二烷基苯磺酸纳、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇、柠檬酸和四甲基氢氧化铵中的至少一种。
根据本发明的实施例，所述锌负极设置在所述空气电极和所述充电电极之间。
根据本发明的实施例，所述充电电极设置在所述空气电极和所述锌负极之间。
根据本发明的实施例，所述锌负极设置在所述电解液的内部，所述充电电极设置在所述电解液的内部。
根据本发明的实施例，所述电解液是泵循环的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的液流三电极可充锌空电池的结构示意图；
图2是本发明另一个实施例的液流三电极可充锌空电池的结构示意图。
附图标记
100 电解液储液槽
200 电解液
300 正极
400 充电电极
500 锌负极
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过市购到的常规产品。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种液流三电极可充锌空电池。参照图1～2，对本发明的液流三电极可充锌空电池进行详细的描述。
根据本发明的实施例，参照图1，该液流三电极可充锌空电池包括：电解液储液槽100，电解液200，正极300，充电电极400和锌负极500。其中，正极300环绕在电解液储液槽100的四周，且正极300和电解液储液槽100共同限定出电解空间；电解液200填充在电解空间内；而充电电极400和锌负极500各自的至少一部分设置在电解液200中。
发明人意外地发现，本发明实施例的液流三电极可充锌空电池，该三电极体系的锌空电池的充电电极400可在充电过程中替代正极300，从而可有效地保护正极300的防水透气性能，进而延长该可充电的锌空电池的使用寿命，并且正极300只需使用氧化还原催化剂即可，从而避免了使用昂贵的双功能催化剂，可大幅地降低电池的制作难度及成本、利于产业化。
根据本发明的实施例，锌负极500可以为镀铅、镀镉或镀铟的集流体。如此，以镀铅、镀镉或镀铟的集流体作为锌负极500，可有效地保持该锌空电池在充放电过程中的电循环库伦效率。在本发明的一些实施例中，该锌负极500可进一步包括金属基体、基底层以及锌层，其中，基底层形成在金属基体的表面，且该基底层是由铅、镉和铟中的一种组成的，而锌层就形成在基底层之上。如此，形成在金属基体表面的基底层，可使其表面沉积的锌层的致密度更好，并且铅、镉和铟组成的基底层还能降低该锌负极500在充电过程中的析氢电位，从而可提高该可充锌空电池的电循环库伦效率。在本发明的一些具体示例中，该镀铅、镀镉或镀铟的集流体的金属基体可以为铜网或镍网。如此，使用铜网或镍网的金属基体作为电池的阴极使用，其导电性能和耐腐蚀性能均好，且表面积更大而可与电解液更充分地接触，从而提高电池的导电效率。
根据本发明的实施例，正极300可以为空气电极。如此，空气电极300只需在该电池的放电过程中参与电化学反应，从而有效地保护空气电极300的防水透气性能，进而延长该可充电的锌空电池的使用寿命。根据本发明的实施例，空气电极300的具体材料不受特别的限制，本领域常用的空气电极材料均可，具体例如氧化还原催化剂，本领域技术人员可根据电池实际的使用要求进行设计，在此不再赘述。根据本发明的实施例，空气电极300的一面可以与空气接触，另一面可以与电解液接触，如此，可使空气中的氧气进入电解液并参与电化学反应，又不会使电解液渗出电解液储蓄草。
根据本发明的实施例，充电电极400的具体材料不受特别的限制，只要该材料的充电电极能和上述的锌负极形成充电回路即可，具体例如镍、铜等，本领域技术人员可根据锌负极500的具体组成进行选择，在此不再赘述。在本发明的一些实施例中，充电电极400的表面还可以形成有二氧化铈和四氧化三钴中的一种。如此，采用上述陶瓷材料包覆表面的充电电极400，能有效地降低充电过程中的析氧电位，并且还能保护充电电极400对电解液200的耐碱性。
根据本发明的实施例，锌负极500、空气电极300和充电电极400的组装顺序不受特别的限制，只要该顺序组成的三电极可完成该锌空电极的充放电过程即可，本领域技术人员可根据该电池的实际情况进行设计。在本发明的一些实施例中，参照图2，充电电极400设置在空气电极300和锌负极500之间。在本发明的另一些实施例中，参考图1，锌负极500设置在空气电极300和充电电极400之间。
根据本发明的实施例，电解液储液槽100的具体形状和具体厚度不受特别的限制，本领域内常用的电解液储液槽均可，只要该电解液储液槽具有能填充电解液的电解空间即可，本领域技术人员可根据该可充锌空电池的使用要求进行设计。根据本发明的实施例，电解液储液槽100的具体材料也不受特别的限制，只要该电解液储液槽具有对电解液和充放电过程的耐腐蚀性即可，本领域技术人员可根据电解液和充放电反应类型进行选择，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，电解液200的具体组成不受特别的限制，只要该组成的电解液能使可充锌空电池工作即可，本领域技术人员可根据空气电极300、充电电极400和锌负极500的具体类型进行选择和调整。在本发明的一些实施例中，电解液200可以包括至少10g/L的氧化锌、100～550g/L的支持电解质、0.01～10g/L的添加剂和水。如此，采用上述组成的电解质的离子迁移率更高。
根据本发明的实施例，支持电解质的具体种类不受特别的限制，只要该种类的支持电解质能有效地参与锌空电池充放电过程中的电化学反应即可，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。在本发明的一些实施例中，支持电解质可以包括选自氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种。如此，采用上述种类的支持电解质，能使锌空电池的充放电效率更高。
根据本发明的实施例，添加剂的具体种类不受特别的限制，只要该种类的添加剂能促进锌空电池充放电过程中的电化学反应即可，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。在本发明的一些实施例中，添加剂可以包括无机添加剂和有机添加剂的至少一种，其中，无机添加剂可包括选自Sn2+、Pb2+、Bi3+、In3+、K2CO3和KF中的至少一种，而有机添加剂可包括选自明胶、硫脲、十二烷基苯磺酸纳、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇、柠檬酸和四甲基氢氧化铵中的至少一种。如此，采用上述种类的添加剂，能使锌空电池的充放电效率更高。
根据本发明的实施例，电解液200可以是泵循环的。如此，采用上述泵使电解液200循环，可解决锌负极500上锌沉积的变形、枝腐化以及钝化等现象，从而可实现该锌空电池充放电循环的库仑效率基本保持不变。
根据本发明的实施例，空气电极300、充电电极400和锌负极500浸入电解液200的具体程度都不受特别的限制，只要三电极的至少一部分能与电解质接触并发生电化学反应即可，本领域技术人员可根据实际的制造情况进行设计。在本发明的一些实施例中，参考图1，锌负极500可至少一部分设置在电解液200的内部，充电电极400可至少一部分设置在电解液200的内部，而空气电极300只要一面能接触电解液200即可、另一面可与空气接触。如此，锌负极500与电解液200的接触面积更大、放电过程中的电效率更高，充电电极400与电解液200的接触面积更大、充电过程中的电效率更高，而空气电极300可同时和电解液、空气中的氧气发生电化学反应。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种液流三电极可充锌空电池，该三电极体系的锌空电池的充电电极可在充电过程中替代正极，从而可有效地保护正极的防水透气性能，进而延长该可充电的锌空电池的使用寿命，并且正极只需使用氧化还原催化剂即可，从而避免了使用昂贵的双功能催化剂，大幅地降低电池的制作难度及成本、利于产业化，还有，以镀铅、镀镉或镀铟的集流体作为锌负极，可有效地保持充放电过程中电循环库伦效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种液流三电极可充锌空电池，其特征在于，包括：
电解液储液槽；
正极，所述正极环绕在所述电解液储液槽的四周，且所述正极和所述电解液储液槽限定出电解空间；
电解液，所述电解液填充在所述电解空间内；
充电电极，所述充电电极的至少一部分设置在所述电解液中；以及
锌负极，所述锌负极的至少一部分设置在所述电解液中，并且所述锌负极为镀铅、镀镉或镀铟的集流体。
2.根据权利要求1所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述锌负极进一步包括：
金属基体；
基底层，所述基底层形成在所述金属基体的表面，并且所述基底层是由铅、镉和铟中的一种组成的；以及
锌层，所述锌层形成在所述基底层之上。
3.根据权利要求2所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述金属基体为铜网或镍网。
4.根据权利要求1所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述正极为空气电极。
5.根据权利要求1所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述充电电极的表面形成有二氧化铈和四氧化三钴中的一种。
6.根据权利要求1所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述电解液包括至少10g/L的氧化锌、100～550g/L的支持电解质、0.01～10g/L的添加剂和水；
其中，所述支持电解质包括选自氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种；
所述添加剂包括无机添加剂和有机添加剂的至少一种，
所述无机添加剂包括选自Sn2+、Pb2+、Bi3+、In3+、K2CO3和KF中的至少一种，
所述有机添加剂包括选自明胶、硫脲、十二烷基苯磺酸纳、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇、柠檬酸和四甲基氢氧化铵中的至少一种。
7.根据权利要求3所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述锌负极设置在所述空气电极和所述充电电极之间。
8.根据权利要求3所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述充电电极设置在所述空气电极和所述锌负极之间。
9.根据权利要求3所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，
所述锌负极设置在所述电解液的内部，
所述充电电极设置在所述电解液的内部。
10.根据权利要求1所述的液流三电极可充锌空电池，其特征在于，所述电解液是泵循环的。
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