CN111293314B - 一种多层锌电极及其在锌空气电池中应用 - Google Patents

一种多层锌电极及其在锌空气电池中应用 Download PDF

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Abstract

本发明为一种多层锌电极，包括集流体、锌电极A与锌电极B，锌电极A和锌电极B均以锌粉为活性材料制成；锌电极A中采用的锌粉A比表面积30cm2/g‑4m2/g；锌电极B中采用的锌粉B比表面积5cm2/g至小于30cm2/g。锌电极沿厚度方向或垂直于厚度方向采用不同粒径或形貌的锌活性物质，接近空气阴极测采用具有高比表面积的树枝状锌粉、锌纤维或超细锌粉，在初期放电时，由于此类锌粉的高比表面积，具有较高的放电活性，使得锌/空气电池在低温下能够顺利启动放电，在低温启动后通过电池结构的优化降低热量损失，从而使得锌/空气电池能够在低温下持续稳定放电；远离空气电极侧采用较低比表面积锌粉，从而降低锌电极析氢副反应，降低锌电极成本。

Description

一种多层锌电极及其在锌空气电池中应用
技术领域：
本发明涉及锌/空气电池，具体地说是一种多层锌电极及在锌空气电池中应用。
背景技术
锌/空气电池拥有高的质量比能量和体积比能量，同时由于金属锌资源丰富、价格低廉，因此锌空气电池在便携式移动电源、大型固定电站等方面均有十分广阔的应用前景。
但在低温下，锌/空气电池的放电性能急剧下降，限制了锌空气电池在野外极寒天气下的使用。锌/空气电池低温下的稳定工作依赖两个过程，即低温启动与低温稳定运行。
发明内容
本发明提出采用多层锌电极结构，锌电极垂直于集流体方向或平行于集流体方向采用不同粒径或形貌的锌活性物质。
采用垂直于集流体方向多层锌电极时，接近空气阴极测采用具有高比表面积锌粉(如树枝状锌粉、锌纤维或超细锌粉)，在初期放电时，由于此类锌粉的高比表面积，具有较高的放电活性，使得锌/空气电池在低温下能够顺利启动放电，在低温启动后通过电池结构的优化降低热量损失，从而使得锌/空气电池能够在低温下持续稳定放电；远离空气电极侧采用较低比表面积锌粉，从而降低锌电极析氢副反应，降低锌电极成本。
采用平行于集流体方向多层锌电极时，在电池工作时，冷空气从电池一侧进入并由另一侧排出，由于空气与电池温差的存在，使得电池及冷空气沿着平行于集流体方向呈梯度分布，接近进口处温度较低，接近出口处温度较高，若在接近进口处(温度较低处)采用具有高比表面积锌粉(如树枝状锌粉、锌纤维或超细锌粉)，在接近出口处(温度较高处)采用较低比表面积锌粉，由于高比表面锌电极具有较高的反应活性，使得电池沿平行于集流体方向的电流分布更加均匀。
此外，多层锌电极并非是将任意两种锌电极机械组合而成，两种锌电极间存在最适的组成、厚度/面积等关系，当锌电极A厚度/面积过小时，在低温启动时无法维持足够时间的放电，无法积累足够的热量使锌/空气电池启动，在实验中发现，锌电极B的厚度至多为锌电极A的10倍。对于锌电极的组成也有类似的关系，尽管锌电极A、B有着不同的粒径分布，但锌电极A的锌粉比表面积至少为锌电极B的15倍，否则，由于锌电极A、B的锌粉比表面积过于接近，使得其低温活性差异不大，无法实现低温启动与稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多层锌电极，包括集流体、锌电极A与锌电极B，
锌电极A和锌电极B均以锌粉为活性材料制成；
锌电极A中采用的锌粉A比表面积30cm2/g-4m2/g；
锌电极B中采用的锌粉B比表面积5cm2/g至小于30cm2/g。
所述多层锌电极，包括下述情形中的一种，
第一种情形：于集流体的二侧表面依次设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极B层置于集流体和锌电极A层之间；
第二种情形：于集流体的一侧表面依次设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极B层置于集流体和锌电极A层之间，于集流体的另一侧表面设有锌电极B层；
第三种情形：于集流体的二侧表面设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极A层和锌电极B层相邻接地附着于集流体表面，集流体一侧表面的锌电极A层和锌电极B层的个数分别为1个或2个以上；
第四种情形：于集流体的一侧表面设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极A层和锌电极B层相邻接地附着于集流体表面，集流体一侧表面的锌电极A层和锌电极B层的个数分别为1个或2个以上；于集流体的另一侧表面设有锌电极B层。
所述多层锌电极，所述锌电极A中采用的锌粉的比表面积为锌电极B中采用的锌粉的比表面积的15倍或15倍以上。
所述多层锌电极，于第一种情形或第二种情形中，于集流体同一侧表面的所述锌电极B的厚度为锌电极A的厚度的10倍或10倍以下。
所述多层锌电极，于第三种情形或第四种情形中，于集流体同一侧表面的所述锌电极B的表面积为锌电极A的表面积的10倍或10倍以下。
所述多层锌电极，所述锌电极A组成材料包括锌粉A、粘接剂、添加剂，以及还含有或不含有电解质；所述锌电极B组成材料包括锌粉B、粘接剂、添加剂，以及还含有或不含有电解质；
按质量比，锌粉含量为50％-99％，粘接剂含量为0.1％-5％，添加剂含量为0.1％-5％，电解质含量为0％-40％。
所述多层锌电极，所述集流体为铜片、铜网、镀锡铜网、镀铟铜网中的一种。
所述多层锌电极作为阳极在锌空气电池中的应用。
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为多层锌电极示意图之一；
图2为多层锌电极示意图之二；
图3为多层锌电极示意图之三；图中1为锌电极A，2为锌电极B，3为集流体；
图4为采用不同粒径锌粉制备的锌电极在低温下的极化曲线。
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。
以下实施例中，所采用的粘接剂为聚丙烯酸钠，添加剂为ZnO，电解液为35％KOH溶液。
实施例1：按照图1示意图制备多层锌电极，如图1和图4所示，并组装成锌/空气电池。其中电池1中锌电极A厚度1mm，采用4200cm2/g锌粉，锌电极B厚度8mm，采用20cm2/g锌粉；电池2仅采用锌电极A，厚度9mm，采用46cm2/g锌粉；电池3仅采用锌电极B，厚度9mm，采用13cm2/g锌粉。锌电极组成均为70％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、28.5％电解质，在-25℃下恒温2h后进行不同电流密度放电时的极化曲线见图4，从结果可以看出，提高锌粉的比表面积或采用多层锌电极可以大幅提升锌/空气电池的低温放电性能。
实施例2：按照图1示意图制备多层锌电极，锌电极A厚度1mm，采用586cm2/g锌粉，锌电极B厚度8mm，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为70％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、28.5％电解质。组装成锌/空气电池，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池能够顺利启动并稳定运行。
实施例3：按照图1示意图制备多层锌电极，锌电极A厚度0.5mm，采用586cm2/g锌粉，锌电极B厚度8mm，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为70％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、28.5％电解质。组装成锌/空气电池，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池启动后仅能维持约0.5min的放电，无法顺利启动并稳定运行。
实施例4：按照图1示意图制备多层锌电极，锌电极A厚度1mm，采用38cm2/g锌粉，锌电极B厚度8mm，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为70％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、28.5％电解质。组装成锌/空气电池，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池启动后仅能维持约5min的放电，无法顺利启动并稳定运行。
实施例5：按照图2示意图制备多层锌电极，锌电极厚度均为5mm，锌电极A面积为10cm2，采用586cm2/g锌粉，锌电极B面积60cm2，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为65％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、33.5％电解质。组装成锌/空气电池，外加蛇形空气流道，由锌电极A区域进气，锌电极B区域出气，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池能够顺利启动并稳定运行。
实施例6：按照图2示意图制备多层锌电极，锌电极厚度均为5mm，锌电极A面积为10cm2，采用586cm2/g锌粉，锌电极B面积150cm2，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为65％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、33.5％电解质。组装成锌/空气电池，外加蛇形空气流道，由锌电极A区域进气，锌电极B区域出气，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池启动后仅能维持约0.5min的放电，无法顺利启动并稳定运行。
实施例7：按照图2示意图制备多层锌电极，锌电极厚度均为5mm，锌电极A面积为10cm2，采用38cm2/g锌粉，锌电极B面积60cm2，采用20cm2/g锌粉，锌电极组成均为65％锌粉、1％粘接剂、0.5％添加剂、33.5％电解质。组装成锌/空气电池，外加蛇形空气流道，由锌电极A区域进气，锌电极B区域出气，在-25℃下恒温2h后进行低温启动。结果表明该电池启动后仅能维持约5min的放电，无法顺利启动并稳定运行。

Claims (7)

1.一种多层锌电极，其特征在于：包括集流体、锌电极A与锌电极B，
锌电极A和锌电极B均以锌粉为活性材料制成；
锌电极A中采用的锌粉A比表面积30 cm2/g -40000 cm2/g；
锌电极B中采用的锌粉B比表面积5 cm2/g 至小于30 cm2/g；所述多层锌电极包括下述情形中的一种，
第一种情形：于集流体的二侧表面依次设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极B层置于集流体和锌电极A层之间；
第二种情形：于集流体的一侧表面依次设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极B层置于集流体和锌电极A层之间，于集流体的另一侧表面设有锌电极B层；
第三种情形：于集流体的二侧表面设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极A层和锌电极B层相邻接地附着于集流体表面，集流体一侧表面的锌电极A层和锌电极B层的个数分别为1个或2个以上；
第四种情形：于集流体的一侧表面设有锌电极A层和锌电极B层，锌电极A层和锌电极B层相邻接地附着于集流体表面，集流体一侧表面的锌电极A层和锌电极B层的个数分别为1个或2个以上；于集流体的另一侧表面设有锌电极B层。
2.如权利要求1所述多层锌电极，其特征在于：所述锌电极A中采用的锌粉的比表面积为锌电极B中采用的锌粉的比表面积的15倍以上。
3.如权利要求1所述多层锌电极，其特征在于：于第一种情形或第二种情形中，于集流体同一侧表面的所述锌电极B的厚度为锌电极A的厚度的10倍以下。
4.如权利要求1所述多层锌电极，其特征在于：于第三种情形或第四种情形中，于集流体同一侧表面的所述锌电极B的表面积为锌电极A的表面积的10倍以下。
5.如权利要求1所述多层锌电极，其特征在于：所述锌电极A组成材料包括锌粉A、粘接剂、添加剂，以及还含有或不含有电解质；所述锌电极B组成材料包括锌粉B、粘接剂、添加剂，以及还含有或不含有电解质；
按质量比，锌粉含量为50%-99%，粘接剂含量为0.1%-5%，添加剂含量为0.1%-5%，电解质含量为0%-40%。
6.如权利要求1所述多层锌电极，其特征在于：所述集流体为铜片、铜网、镀锡铜网、镀铟铜网中的一种。
7.一种权利要求1-6任一所述多层锌电极作为阳极在锌空气电池中的应用。
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