CN110212254A - 一种可逆水系电池及使用该电池的小车 - Google Patents
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Abstract
一种可逆水系电池及使用该电池的小车。本发明涉及一种水系锌电池及使用该电池的小车，该电池以涂有二氧化锰、乙炔黑、聚四氯乙烯混合物的泡沫镍作为正极，以锌板作为负极，以锌盐溶液作为电解液，构成一个动力电源。本发明以水系锌电池为电源的模型小车，通过系统试验探索了该模型小车的运行情况，初步探索了提升动力型水系锌电池性能的方法，并结合模型小车的运行情况研究了水系锌电池作为动力电源的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及环保电池的制备及使用该电池的小车，特别涉及一种水系锌电池的制备。
背景技术
如今市面上的汽车大多是以汽油发动机为动力。其中，汽油车在运行过程中产生大量的汽车尾气，尾气中含有150～200种不同的化合物，包含一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物，有害气体扩散到空气中会造成空气污染及温室效应。而新能源汽车不燃烧汽油和柴油，与传统汽车相比，电动车在启动时没有污染，具有极好的环保性能。就效率而言，传统汽车的能源转化效率只有17％，电动车的效率是90％，即使考虑燃煤发电的效率损失，电动车的总效率也大于30％，约为传统汽车的二倍，节能效果十分明显。而且发展新能源汽车是减少对国外石油依赖，解决快速增长的能源需求与石油资源终将枯竭的矛盾的重要措施。
而如今市面上的汽车大多是以汽油发动机为动力。其中，汽油车在运行过程中产生大量的汽车尾气，尾气中含有150～200种不同的化合物，包含一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物，有害气体扩散到空气中会造成空气污染及温室效应。而新能源汽车不燃烧汽油和柴油，与传统汽车相比，电动车在启动时没有污染，具有极好的环保性能。就效率而言，传统汽车的能源转化效率只有17％，电动车的效率是90％，即使考虑燃煤发电的效率损失，电动车的总效率也大于30％，约为传统汽车的二倍，节能效果十分明显。而且发展新能源汽车是减少对国外石油依赖，解决快速增长的能源需求与石油资源终将枯竭的矛盾的重要措施。
在新能源汽车中普遍使用的锂离子电池具有体积小、重量轻、能 量密度高、使用寿命长、环保无污染等优点，但其均采用易燃有机电解液，不但组装条件苛刻、成本高，而且还存在较大的安全隐患，严重制约了锂离子动力电池的应用推广。相对于锂离子电池等新能源电池，可逆水系锌离子电池是近年来发展起来的一种新型二次水系电池,具有高能量密度、高功率密度、放电过程高效安全等优势；同时锌资源具备储量丰富、价格低廉、安全环保等优点，其在大型储能等领域具有很高应用价值和广阔发展前景。
所以本设计致力于以一种制备工艺更为简单、安全、绿色环保的方法取代锂离子电池。水系锌离子电池的诸多优点，使其在汽车的动力系统应用上具有较大的开发空间。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种水系锌离子电池及其制备方法，及使用该电池的小车。
水系锌电池是一款可充放电电池。充电时,锌离子从正极MnO2隧道结构中脱出，在负极锌的表面沉积；放电时,负极锌失去电子变为锌离子,嵌入到正极MnO2的隧道结构中。因此可把锌离子电池形象地比喻成“摇椅电池”,锌离子在摇椅的两侧,即电池的正负极反复脱嵌。其反应如下：
负极：Zn-2e-＝＝Zn2+
正极：Zn2++2e-+2MnO2＝＝ZnMn2O4
总反应：Zn+2MnO2＝＝ZnMn2O4
本发明通过如下技术方案实现：
一种水系锌电池，正极材料选用二氧化锰、聚四氟乙烯、乙炔黑混合材料；电解质为硫酸盐、硝酸盐和盐酸盐的一种或多种的水溶液。
在上述方案的基础上，所述二氧化锰：乙炔黑：聚四氟乙烯＝8:3:2(质量比)。
在上述方案的基础上，所述电解质为硝酸盐或盐酸盐与硫酸盐的混合物水溶液。
在上述方案的基础上，所述电解质为硝酸盐与硫酸锰的水溶液。
在上述方案的基础上，所述电解质为2mol/L的Zn(NO3)2+0.5mol/L MnSO4水溶液。
本发明还要求保护一种水系锌电池的制备方法，向研钵中依次加入三种配比为二氧化锰：乙炔黑：聚四氟乙烯＝8:3:2(质量比)的固体药品；加入乙醇溶液，研磨至混合物呈片状，均匀地涂抹于泡沫镍上，用压片机压片制作正极；锌片作为负极；将正负极材料放入电池槽中，加入电解质，最后对电池进行组装，制得水系锌离子电池。
本发明还要求保护一种小车，使用上述水系锌电池。
在上述方案的基础上，所述设计窄电池槽，减小正负极板间距离，使粒子扩撒和反应距离较短，电阻较小。设计较大横截面，提高电容量与电流。电池内部含卡槽，固定正负极片，在保证其间距小的同时，避免其直接接触。
将多个电池槽并在一起，形成串联电路，可以使用上图所示的插片设计，将多个正负极交叉固定在同一块板上，使多个单节电池的正负极可以同时进行更换，完成电池快速再生。因为水系电池安全不具有腐蚀性，对操作条件要求低，使其可在空气中直接进行更新。
本发明的有益效果是:
(1)具有高能量密度和高功率密度。根据恒电流充放电结果， 经测量，本水系锌电池的功率密度最高可达12kW/kg,远远高于市场上的普通电池如五号电池，锌离子电池能量密度最高可达320Wh/kg,是超级电容器的15倍左右。在实验过程中发现，增大电解液与电极板的接触面积可以使电流升高，比如在500ml的烧杯中加入200ml的硝酸锌电解液时，用万用表测得两端电压为1.35V，之后再加入150ml的硝酸锌电解液时，电压从1.35V上升到1.6V。这说明电极与电解液的接触面积可以影响电池电压。在后期应用中，可以通过改变电机面积或电解液的多少从而将其应用在真实的大型电动汽车上。
(2)具有良好的倍率性能。利用蓝电测试系统对电池性能进行测试。当电流密度为0.1A/g时，锌离子电池在250min内进行完整的充放电过程；电流密度为8A/g时，锌离子电池可在30s内完成充电过程。这表明锌离子电池既可以在大电流密度下快速放电，也可以在小电流密度下慢放电。同样，在体系为200ml的硝酸锌电解液的水系锌电池，将其浓度由0.5mol/L提高至0.8mol/L，电压由1.35V上升至1.45V，这说明电解液的浓度也可以影响电池电压。
(3)安全性高、体系稳定。锌离子电池的电解液采用近乎中性(pH在5-7之间)的硝酸锌、硫酸锰水溶液。在电池的生产及应用过程中，电池可以在空气中组装，负极所使用的锌资源丰富且价格低廉,电解液pH在5-7之间，其电极材料和电解液均无污染性，因此，锌离子电池属于绿色环保电池。
(4)选择使用Zn(NO3)2、MnSO4两种盐类的混合水溶液做为电解液，提高电池的性能如电池的充放电比容量。相较于用ZnSO4在2C(8A/g)的电流密度下可以放出100mAhg-1的比容量，可稳定工作100周；用Zn(NO3)2、MnSO4两种盐类的混合水溶液为电解液的水系锌电池具有优异的循环性能，每个循环的容量衰减率仅为0.006％。
(5)能够快速再生。因为水系锌电池对操作环境和使用条件的要求低，其电解液为中性并不具有毒性，所以可以在空气中对水系锌电池进行正负极的直接更换，随后将其进行封装即可再次使用。随后可将废旧的正负极进行回收充电即可。再生时间短，可以避免在使用过程中需要进行长时间充电。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明锌离子电池的电化学原理；
图2为电池槽与插片设计图；
图3为电池槽装配体；
图4为车体整体设计图；
图5为车体外观图；
图6为车体透视图；
图7为车轴设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1-6
水系锌电池是一款可充放电电池。充电时，锌离子从正极MnO2隧道结构中脱出，在负极锌的表面沉积；放电时,负极锌失去电子变为锌离子,嵌入到正极MnO2的隧道结构中。因此可把锌离子电池形象地比喻成“摇椅电池”,锌离子在摇椅的两侧,即电池的正负极反复脱嵌。其反应如下：
负极：Zn-2e-＝＝Zn2+
正极：Zn2++2e-+2MnO2＝＝ZnMn2O4
总反应：Zn+2MnO2＝＝ZnMn2O4
反应原理如图1所示：
实施例1-6正极材料、负极材料相同，采用不同的电解质。正极材料选用二氧化锰、聚四氟乙烯、乙炔黑混合材料；负极材料选用纯度为99.9％的锌片。
在电池制作过程中，向研钵中依次加入三种配比为二氧化锰：乙炔黑：聚四氟乙烯＝8:3:2(质量比)的固体药品。用一次性滴管加入一滴管乙醇溶液，研磨6～8分钟，至混合物呈片状，用涂片机均匀地涂抹于泡沫镍上，用压片机压片。用砂纸(400目)把锌片打磨后，用乙醇或丙酮超声清洗干净，用过滤纸将锌片表面溶剂吸干。将正负极材料放入电池槽中，加入电解液，最后对电池进行组装，制得新型的水系锌离子电池。
取上述流程制备的正负极片卡入电池槽模具中，配置不同盐类的水系电解液加入相同模具中构成原电池。实施例1-6对六种不同的盐溶液进行了对比，分别是2mol/L的ZnSO4水溶液(实施例1，记为A)、2mol/L的Zn(NO3)2水溶液(实施例2，记为B)、2mol/L的ZnCl2水溶液(实施例3，记为C)、2mol/L ZnSO4+0.5mol/L MnSO4水溶液(实施例4，记为D)、2mol/L的Zn(NO3)2+0.5mol/L MnSO4水溶液(实施例5，记为E)、2mol/L的ZnCl2+0.5mol/L MnSO4水溶液(实施例6，记为F)。即除电解液以外，其他组装条件都相同。如表1所示：
设计窄电池槽，减小正负极板间距离，使粒子扩撒和反应距离较短，电阻较小。设计较大横截面，提高电容量与电流。电池内部含卡槽，固定正负极片，在保证其间距小的同时，避免其直接接触。如图2所示：
将多个电池槽并在一起，形成串联电路，可以使用上图所示的插片设计，将多个正负极交叉固定在同一块板上，使多个单节电池的正负极可以同时进行更换，完成电池快速再生。因为水系电池安全不具有腐蚀性，对操作条件要求低，使其可在空气中直接进行更新。装配体如图3所示：
总体设计：驱动方式选择采用后轮驱动。后轮用电机带动差速器，差速器驱动两根短轴，轴和车轮的固定用压紧螺母固定。前轮用两个支架来支撑一根长轴，作为从动轮。小车的动力来源为自制化学电源带动电机。
1.电机的选择：选用大疆电机无刷电机m3508。此电机的是直流无刷电机，M3508电机最大持续扭矩2.8N*m，有感FOC控制无论转速高低都能提供平稳扭矩。体积和重量是统计设备的20％，节省出更大的空间输出更多的动力，大大减轻车体的重量节约能耗。而且此电机的效率高于其他同级设备，能力利用率提高，进一步减小能耗。
2.差速器：首先差速器的作用是转弯的时候实现两侧轮的转速不一致，从而实现转弯。
3.支架：在铝板折弯件，3D打印件，亚克力板三种方案中选择 了采用亚克力板，可以自己粘接，方便加工成本低廉。
4.车轴：后面用两个短轴连接差速器实现不同转速(直线行驶无影响)，前轮用一根长轴连接。
对表1中不同的电解液进行测试，其电压测试结果如表2所示：
表2不同电解液所对应的电压大小
根据其电压的测试结果可得，实施例5中电解液使用2mol/LZn(NO3)2+0.5mol/LMnSO4的混合水溶液时电压最高，为1.9V。分析原因为Zn(NO3)2的电解能力强于其他两种锌盐，而加入适量的MnSO4可以抑制正极MnO2的溶解，使电池呈现更好的性能。
(1)具有高能量密度和高功率密度。根据恒电流充放电结果、能量密度和功率密度计算公式，可计算出水系锌电池的功率密度最高可达12kW/kg,远远高于市场上的普通电池如五号电池，锌离子电池能量密度最高可达320Wh/kg,是超级电容器的15倍左右。在实验过程中发现，增大电解液与电极板的接触面积可以使电流升高，比如在500ml的烧杯中加入200ml的硝酸锌电解液时，用万用表测得两端电压为1.35V，之后再加入150ml的硝酸锌电解液时，电压从1.35V上升到1.6V。这说明电极与电解液的接触面积可以影响电池电压。在后期应用中，可以通过改变电机面积或电解液的多少从而将其应用在真实的大型电动汽车上。
(2)具有良好的倍率性能。利用蓝电测试系统对电池性能进行 测试。当电流密度为0.1A/g时，锌离子电池在250min内进行完整的充放电过程；电流密度为8A/g时，锌离子电池可在30s内完成充电过程。这表明锌离子电池既可以在大电流密度下快速放电，也可以在小电流密度下慢放电。同样，在体系为200ml的硝酸锌电解液的水系锌电池，将其浓度由0.5mol/L提高至0.8mol/L，电压由1.35V上升至1.45V，这说明电解液的浓度也可以影响电池电压。
(3)安全性高、体系稳定。锌离子电池的电解液采用近乎中性(PH在5-7之间)的硝酸锌、硫酸锰水溶液。在电池的生产及应用过程中，电池可以在空气中组装，负极所使用的锌资源丰富且价格低廉,电解液PH在5-7之间，其电极材料和电解液均无污染性，因此，锌离子电池属于绿色环保电池。
(4)选择使用Zn(NO3)2、MnSO4两种盐类的混合水溶液做为电解液，提高电池的性能如电池的充放电比容量。相较于用ZnSO4在2C的电流密度下可以放出100mAhg-1的比容量，可稳定工作100周；用Zn(NO3)2、MnSO4两种盐类的混合水溶液为电解液的水系锌电池具有优异的循环性能，每个循环的容量衰减率仅为0.006％。
(5)能够快速再生。因为水系锌电池对操作环境和使用条件的要求低，其电解液为中性并不具有毒性，所以可以在空气中对水系锌电池进行正负极的直接更换，随后将其进行封装即可再次使用。随后可将废旧的正负极进行回收充电即可。再生时间短，可以避免在使用过程中需要进行长时间充电。
Claims (9)
1.一种水系锌电池，其特征在于：正极材料选用二氧化锰、聚四氟乙烯、乙炔黑混合材料；电解质为硫酸盐、硝酸盐和盐酸盐的一种或多种的水溶液。
2.根据权利要求1所述的一种水系锌电池，其特征在于：所述二氧化锰：乙炔黑：聚四氟乙烯的质量比为8:3:2。
3.根据权利要求1所述的一种水系锌电池，其特征在于：所述电解质为硝酸盐或盐酸盐与硫酸盐的混合物水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种水系锌电池，其特征在于：所述电解质为1-4mol/L的硝酸盐与0.3-0.8mol/L的硫酸锰水溶液。
5.权利要求1-4任一项所述的一种水系锌电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
向研钵中依次加入三种配比为二氧化锰：乙炔黑：聚四氟乙烯＝8:3:2(质量比)的固体药品；加入乙醇溶液，研磨至混合物呈片状，均匀地涂抹于泡沫镍上，用压片机压片制作正极；锌片作为负极；将正负极材料放入电池槽中，加入电解质，最后对电池进行组装，制得水系锌离子电池。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：把锌片打磨后，用乙醇或丙酮超声清洗干净。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述电解质为1-4mol/L的硝酸锌与0.3-0.8mol/L的硫酸锰水溶液。
8.一种小车，其特征在于：使用权利要求1-4任一项所述的水系锌电池。
9.根据权利要求8所述的小车，其特征在于：将多个正负极交叉固定在同一块板上，使多个单节电池的正负极可以同时进行更换。
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|---|---|---|---|---|
| CN111600081A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-08-28 | 南开大学 | 一种宽温度范围和长循环寿命的可充水系锌离子电池 |
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- 2019-03-20 CN CN201910214413.2A patent/CN110212254A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN111600081A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-08-28 | 南开大学 | 一种宽温度范围和长循环寿命的可充水系锌离子电池 |
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