CN109975706A - 一种氧还原阴极寿命的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧还原阴极寿命的测试装置及测试方法，采用一装有电解液的壳体，将待测阴极、锌电极集流体、氧析出电极均置于电解液中，以锌电极集流体为负极，以待测阴极或氧析出电极为正极，构成电池体系；将锌电极集流体与电池充放电测试仪的负极相连；充电时，将电池充放电测试仪的正极与氧析出电极连接；放电时，将电池充放电测试仪的正极与待测阴极连接，测试过程由充电、搁置、放电、搁置步骤循环进行。充电过程使得锌电极再生，从而使得氧还原阴极寿命测试过程中免于更换锌电极。

Description

一种氧还原阴极寿命的测试方法
技术领域：
氧还原阴极寿命的测试装置及测试方法。
背景技术：
氧还原(Oxygen Reduction Reaction,ORR)阴极在金属/空气电池及燃料电池中应用广泛，其性能与寿命是ORR阴极最为重要的两个参数。
对于金属/空气电池(如镁/空气、铝/空气、锌/空气等)，当测试ORR阴极寿命时，需要定期更换金属电极。由于金属电极容量及放电电流的差异，电极更换的时间也不同，但金属电极更换的时间一般约为数小时。因此对于长时间阴极寿命测试(数千小时)，金属电极更换工作量巨大，大大限制了ORR阴极寿命测试。
对于锌/空气电池来说，由于锌电极在水溶液体系可以在第三电极(氧析出电极)的辅助下通过电沉积再生，因此可避免锌电极的频繁更换，提高ORR阴极寿命测试效率。
发明内容
为了避免锌电极的频繁更换，在水溶液体系在第三电极的辅助下通过电沉积再生。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种氧还原阴极寿命测试装置，包括壳体、氧析出电极、锌电极集流体、密封垫、外固定板；
于壳体右侧面开设有通孔，氧析出电极与锌电极集流体平行放置于壳体内部，且与壳体右侧通孔平行，氧析出电极可放置于锌电极集流体与壳体右侧面通孔之间，或放置于锌电极集流体的远离壳体右侧面通孔一侧；所述外固定板用于固定一待测阴极，固定后所述待测阴极平行置于所述壳体右侧通孔与固定板之间；所述壳体右侧通孔外边缘设置有密封垫。
所述一种固定方式为于外固定板四周边缘处均布有3个以上的通孔，对应的于容器右壁面上开设有3个以上的螺纹孔，3个以上的螺杆分别穿过通孔后与对应的螺纹孔螺合。
外固定板为开设有通孔的环形或U型板，且通孔处于密封垫片所围绕的中空区域内；或者为左侧面开设有流道的板，并与固定板四周或右壁面开设有2个或以上的通孔，实现气体的进出。
所述锌电极集流体为多孔导电材料，如泡沫铜、泡沫镍、铜网、镍网、碳毡、碳纸或碳布中的一种或二种以上。
所述氧析出电极为耐腐蚀材料，如镍、钛、不锈钢中的一种或二种以上。
所述氧析出电极上可负载有催化剂；所述催化剂为具有催化氧析出反应活性的催化剂，如Ir、IrO2、Ru、RuO2、NiFe-LDH等。
一种使用所述氧还原阴极寿命测试装置进行氧还原阴极寿命的测试方法，包括待测阴极安装、电解液注入、通入气体与充放电循环步骤。
所述待测阴极安装方法为于容器右壁面依次放置密封垫、待测阴极、外固定板，容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧、待测阴极扩散层侧与外固定板贴接，且容器右壁面通孔处于密封垫片所围绕的中空区域内；
于外固定板施加向容器方向的推力，可使容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧之间密封。
所述电解液为溶解有Zn(II)物种的碱性溶液或盐溶液；
所述Zn(II)物种为ZnO、ZnCl2、Zn(NO3)2、Zn(CH3COO)2或可溶解产生Zn(II)物种的其他金属盐或氧化物中的一种或二种以上，其浓度为0.1-3mol/L。
所述碱性溶液为KOH、NaOH、LiOH的水溶液或两种及以上的混合溶液，其浓度为0.5-10mol/L；
所述盐溶液为NH4Cl、ZnCl2的水溶液或混合溶液，其浓度为0.5-10mol/L。
所述气体为空气、氧气或含氧混合气体中的一种或二种以上；；
所述含氧混合气体由氧气与二氧化碳、氮气、氩气中的一种或多种混合而成，氧气体积含量为1％-100％
所述充放电循环由充电、搁置、放电、搁置步骤循环进行；
其中放电步骤为待测阴极寿命测试步骤，充电、搁置步骤为辅助步骤。
将锌电极集流体与电池充放电测试仪的负极相连；充电时，将电池充放电测试仪的正极与氧析出电极连接；放电时，将电池充放电测试仪的正极与待测阴极连接。
所述充电过程由氧析出电极与锌电极集流体上进行，氧析出电极上发生氧析出反应，锌电极集流体上发生锌的沉积反应，充电电流密度为25-2000mA/cm2；
所述放电过程在锌电极集流体与待测阴极上进行，锌电极集流体上发生锌的溶解反应，阴极上发生氧还原反应，放电电流密度为1-800mA/cm2。
所述充电过程时间为0.1-10h，放电过程截止电压为0.4-1.0V。
所述搁置过程电流为0，搁置时间为0-5小时。
与现有技术相比，本发明具有免于更换锌电极的优点，大幅简化氧还原电极寿命测试过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例所需使用的附图作简要的介绍。显然，下面描述中附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为锌空气电池阴极寿命连续测试装置示意图，包括测试装置容器(1)、电解液(2)、氧析出电极(3)、锌电极集流体(4)、密封垫(5)、待测阴极(6)、外固定板(7)、螺栓(8)。
图2为实施例进行氧还原阴极寿命测试的数据。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种氧还原阴极寿命测试装置，包括壳体、氧析出电极、锌电极集流体、密封垫、外固定板；于壳体右侧面开设有通孔，氧析出电极与锌电极集流体平行放置于壳体内部，且与壳体右侧通孔平行，氧析出电极可放置于锌电极集流体与壳体右侧面通孔之间，或放置于锌电极集流体的远离壳体右侧面通孔一侧；所述外固定板用于固定一待测阴极，固定后所述待测阴极平行置于所述壳体右侧通孔与固定板之间；所述壳体右侧通孔外边缘设置有密封垫。
所述一种固定方式为于外固定板四周边缘处均布有4个的通孔，对应的于容器右壁面上开设有4个的螺纹孔，4个的螺杆分别穿过通孔后与对应的螺纹孔螺合。
外固定板为左侧面开设有流道的板，并与固定板右壁面开设有2个通孔，实现气体的进出。
使用所述氧还原阴极寿命测试装置进行氧还原阴极寿命的测试方法，包括待测阴极安装、电解液注入、通入气体与充放电循环步骤。
所述待测阴极安装方法为于容器右壁面依次放置密封垫、待测阴极、外固定板，容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧、待测阴极扩散层侧与外固定板贴接，且容器右壁面通孔处于密封垫片所围绕的中空区域内；
于外固定板施加向容器方向的推力，可使容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧之间密封。
实施例
如图1所示，将外固定板、氧还原阴极、密封垫放置与测试装置容器右壁面外，使用螺栓固定，并向外固定板流道内通入50mL/min的氧气。
将锌电极集流体、氧析出电池放置于测试装置容器内的电解液中，电解液为含有0.5mol/L ZnO的8mol/L KOH溶液。
以50mA/cm2充电30min、搁置1min、50mA/cm2放电至截止电压0.75V，搁置1min的程序进行循环。
取循环过程中的放电数据作为氧还原电极的寿命测试数据，如图2所示。对比例
如图1所示，将外固定板、氧还原阴极、密封垫放置与测试装置容器右壁面外，使用螺栓固定，并向外固定板流道内通入50mL/min的氧气。
将锌电极集流体放置于测试装置容器内的电解液中，电解液为7mol/L KOH溶液。此时该测试装置及测试方法与传统更换锌电极进行氧还原阴极寿命测试类似。
以50mA/cm2放电至截止电压0.75V，更换锌电极、更换电解液，重新进行放电程序，往复进行。可见对比例方法操作十分繁琐。

Claims (9)

1.一种氧还原阴极寿命的测试方法，其特征在于：
采用的测试装置包括壳体、氧析出电极、锌电极集流体、密封垫、外固定板；
于壳体右侧面开设有通孔，氧析出电极与锌电极集流体平行放置于壳体内部，且与壳体右侧通孔平行，氧析出电极可放置于锌电极集流体与壳体右侧面通孔之间，或放置于锌电极集流体的远离壳体右侧面通孔一侧；所述外固定板用于固定一待测阴极，固定后所述待测阴极平行置于所述壳体右侧通孔与固定板之间；所述壳体右侧通孔外边缘设置有密封垫；
测试过程包括待测阴极安装、电解液注入、通入气体与充放电循环步骤；
所述待测阴极安装方法为将待测阴极置于外固定板和密封垫之间，使壳体容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧、待测阴极扩散层侧与外固定板贴接；于外固定板施加向容器方向的推力，可使容器右壁面与密封垫、密封垫与待测阴极催化层侧之间密封；
所述充放电循环由充电、搁置、放电、搁置步骤循环进行；将锌电极集流体与电池充放电测试仪的负极相连；充电时，将电池充放电测试仪的正极与氧析出电极连接；放电时，将电池充放电测试仪的正极与待测阴极连接。
2.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：外固定板为开设有通孔的环形或U型板，且外固定板固定后通孔处于壳体右侧通孔的中空区域内；或者为左侧面开设有流道的板，并于固定板四周或右壁面开设有2个或以上的通孔，实现气体的进出。
3.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：所述锌电极集流体为多孔导电材料，所述多孔导电材料为泡沫铜、泡沫镍、铜网、镍网、碳毡、碳纸或碳布中的一种或二种以上的复合材料。
4.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：所述氧析出电极为耐腐蚀材料，所述耐腐蚀材料为镍、钛、不锈钢中的一种或二种以上的复合材料。
5.如权利要求1或4所述测试方法，其特征在于：所述氧析出电极上负载有氧析出催化剂；所述氧析出催化剂为Ir、IrO2、Ru、RuO2、NiFe-LDH中的一种或两种以上。
6.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：所述电解液为溶解有Zn(II)物种的碱性溶液或盐溶液。
7.如权利要求6所述测试方法，其特征在于：所述Zn(II)物种为ZnO、ZnCl2、Zn(NO3)2、Zn(CH3COO)2或可溶解产生Zn(II)物种的其他金属盐或氧化物中的一种或二种以上，所述锌离子浓度为0.1-3mol/L；
所述碱性溶液为KOH、NaOH、LiOH的水溶液或两种及以上的混合溶液，其浓度为0.5-10mol/L；
所述盐溶液为NH4Cl、ZnCl2的水溶液或混合溶液，其浓度为0.5-10mol/L。
8.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：所述气体为空气、氧气或含氧混合气体中的一种或二种以上；
所述含氧混合气体由氧气与二氧化碳、氮气、氩气中的一种或多种混合而成，氧气体积含量不小于1％。
9.如权利要求1所述测试方法，其特征在于：所述充电电流密度为25-2000mA/cm2；所述放电电流密度为1-800mA/cm2；所述充电过程时间为0.1-10h；放电过程截止电压为0.4-1.0V；所述搁置过程电流为0，搁置时间为0-5小时。
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