CN111463370A - 一种锌空气电池 - Google Patents

Abstract

一种锌空气电池，属于电池领域。锌空气电池包括正极、隔膜、负极、负极壳和正极壳。正极壳和负极壳相互配合将正极、隔膜以及负极囊括在内部。同时正极壳和正极之间具有防渗层，其能够阻挡电池中的电解液的泄漏，从而提高电池的使用寿命。

Description

一种锌空气电池

技术领域

本申请涉及电池领域，具体而言，涉及一种锌空气电池。

背景技术

扣式锌空气电池具备能量密度高，放电平台平稳的优点，被广泛应用于助听器，蓝牙耳机等便携设备。

由于锌空气电池的正极反应物是来自空气中的氧气，其需要不断从空气中获得氧气以进行电池反应。因此扣式锌空气电池的正极壳底部都分布有气孔。这些气孔就成为了扣式锌空气电池中的电解液的潜在漏出途径。

发明内容

为改善、甚至解决上述的锌空气电池正极漏液的问题，本申请提出了一种锌空气电池。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请的示例提供了一种锌空气电池。

锌空气电池包括正极、隔膜、负极以及相互配合的负极壳和正极壳。

正极壳包括底壁和侧壁，且底壁和侧壁限定组装腔。

其中，上述底壁具有接触区和沉台区，且接触区设置有防渗层，沉台区具有气孔。

沉台区相对于接触区呈凹陷状。接触区分布在沉台区的外围区域，接触区从侧壁向沉台区所在的区域延伸。

负极壳具有对置的内壁和外壁。

其中，内壁限定容纳负极的内腔；外壁与正极壳的侧壁绝缘且密封接触，并将隔膜和正极一并挤压以约束于组装腔内，从而使正极与接触区的防渗层接触。

正极壳和负极壳构成电池的整体结构，并且将正极、隔膜以及负极包裹在内部，以阻断与外界的直接的、大范围、大面积的接触。同时，通过将正极壳和负极壳结合的“薄弱”处设置防渗层进行修复，从而在相当程度上消除漏液隐患、将漏液的通道隔断。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的实施方式中，防渗层从接触区的表面以凸出的方式设置。

防渗层凸出设置能够提供更紧密的接触，使封堵效果更佳，同时也方便防渗层的设置。

结合第一方面或第一方面的第一种实施方式，在本申请的第一方面的第二种可能的实施方中，防渗层具有与正极抵触的接触面，接触面是平坦的。

接触面被涉及为平坦状可以使防渗层的结构设计更简单、方便制作。

结合第一方面的第二种实施方式，在本申请的第一方面的第三种可能的实施方中，接触面到底壁之间的距离是恒定的。

可选地，防渗层的厚度为10至50微米或20至30微米。

可选地，防渗层由接触区至沉台区的方向延伸至覆盖接触区的部分或全部。

防渗层厚度均匀更利于正极的布置。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第四种可能的实施方式中，防渗层具有弹性，且被挤压于正极和底壁之间而处于弹性变形状态。

防渗层处于弹性变形状态可以更好地起到封堵效果，且也能够减少轻微的位移。

结合第一方面的第四种实施方式，在本申请的第一方面的第五种可能的实施方中，防渗层为耐碱的树脂材质。

可选地，防渗层是磺化聚乙烯、沥青、柏油、氯磺化聚乙烯或环氧树脂。

可选地，防渗层以胶水涂覆的形式而附着在接触区。

锌空气电池可能存在具有碱性的电解液，而其可能防渗层产生腐蚀，因此可以选择耐碱腐蚀的材料制作防渗层。

结合第一方面或第一方面的第四种或第五种实施方式，在本申请的第一方面的第六种可能的实施方中，正极包括叠置的活性层和防水透气层，活性层由集流网和催化剂构成。

正极以活性层与隔膜接触、防水透气层与防渗层接触的方式布置。

防水透气层能够隔断水汽对电极活性层的侵蚀，同时还能够确保空气的正常物质传递。

结合第一方面的第六种实施方式，在本申请的第一方面的第七种可能的实施方中，防水透气层为具有可压缩性的聚四氟乙烯膜。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第八种可能的实施方式中，锌空气电池包括扩散层。

扩散层覆盖在底壁的沉台区并遮蔽气孔，以使从气孔进入电池内部的空气被均匀地分布在正极。

结合第一方面或第一方面的第八种实施方式，在本申请的第一方面的第九种可能的实施方中，负极通过密封圈与侧壁进行绝缘接触。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为一种由发明人所实现的一种空气电池的结构示意图；

图2示出了图1中空气电池的潜在漏液路径示意图；

图3示出了本申请实施例中的锌空气电池的结构示意图。

图标：1-负极壳；2-负极；3-密封圈；4-正极壳；5-隔膜；6-集流网；7-触媒层；8-防水透气层；9-扩散层；10-气孔；11-正极；12-圆环形平台；13-平台位置；14-防渗层。

具体实施方式

基于对锌空气电池研究的需要，发明人实现了一种空气电池，其结构参阅图1。该空气电池为对称结构(图1中的中心点划线为对称轴)，因此，图1中仅仅示出了其剖视结构的部分。

该空气电池可以各种形式的电池实现，本申请对其并不做具体限定。示例中，空气电池为一种纽扣型电池。进一步地，该空气电池是基于锌的电池。

根据电解液的不同，其反应过程有所区别，一种示例中，其电池反应如下：

阳极：Zn+2OH^-→ZnO+H₂O+2e^-

阴极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

综合：2Zn+O₂→2ZnO

空气电池包括正极11、隔膜5以及负极2，且整体呈现层状结构叠置。三者大致为片式结构，且隔膜5和正极11具有相对更小的厚度，而负极2具有相对更大的厚度。

正极11通常选择包括触媒层7(催化剂层或活性层)和防水透气层8。防水透气层8用以接受从外界输入的空气，且同时阻断外界水汽的进入。该防水透气层8可以选择为具有可压缩性的聚四氟乙烯膜(PTFE膜)。触媒层7可以起到促进反应进行的作用。例如可以选择使用碳材料。通常为方便制作和对活性材料定型，该触媒层7可以选择由集流网6和附着在集流网6的催化剂组成。催化剂被制作为浆料，然后涂覆在集流网6上，再通过辊压或挤压、干燥制成触媒层。

负极2则通常由锌粉和电解液混合而成，且呈糊状。电解液可以是碱性溶液，例如高浓度的氢氧化钾水溶液。隔膜5被用以阻隔正极11和负极2之间的固体的移动。

基于储运和用电设备的需要，空气电池进行了封装，以便将正极11、隔膜5以及负极2包裹在内部，而非直接地暴露在空气中。具体而言，空气电池包括还包括相互配合的负极壳1和正极壳4。由此，空气电池通过相互配合的负极壳1和正极壳4进行封装。同时，正极壳4和负极壳1也作为与用电设备的正极和负极电接触的结构。也因此，容易知道地，正极壳4和负极壳1是导电的，从而可以选择以金属材料制作，以便在提供导电性的同时还能够具有一定的结构强度、提供形状的稳定性。

其中，正极壳4大体上呈柱状结构，并且由底壁和侧壁构成。侧壁呈环形地连接在底壁的外周缘，并且从底壁沿轴向延伸适当的高度。因此，正极壳4具有由底壁和侧壁共同限定的组装腔。该组装腔能够容纳电池的如隔膜5、正极11等可选的结构。

基于制作便利性的考虑，正极壳4的底壁被选择为圆形结构。且进一步地，其包括内部区域(靠近中心侧)和外部区域(靠近边缘侧)。示例中，外部区域为接触区，内部区域为沉台区。因此，沉台区相对于接触区呈凹陷状，并且接触区分布在沉台区的外围，接触区从侧壁向沉台区所在的区域延伸。基于此，从电池的整体外观而言，沉台区是凸出的，而接触区则为平台下沉的结构。

其中，沉台形成有气孔10，作为外界空气(含氧)进入电池内部在的通道。气孔10在部分的示例中，可以这样布局：1-5个0.1mm至0.5mm直径的柱状气孔10。气孔10的孔径和数量需要被适当地限制，本申请不对其做限定。

由于空气从该通道进入到电池内部，并与正极11接触、反应，因此，电池也可以包括扩散层9。扩散层9覆盖在正极壳4的底壁(具体而言是沉台区)并遮蔽气孔10。由此，空气通过气孔10进入后，需要通过扩散层9，再与正极11接触。因此，通过扩散层9可以使从气孔10进入电池内部的空气被均匀地分布在正极11。

负极壳1也大致为一个柱状结构，呈纵横的折弯结构。当正极壳4与负极壳1配合时，两者对置形成一个用以将正极11、隔膜5以及负极2包括在内的内部腔室。在封装完成的电池结构中，负极2被负极壳1的内部(后续以内壁被再次提及)和隔膜5共同限定的空间所约束，同时正极11则被负极壳1的内部和隔膜5限定的空间所约束。

示例中，负极壳1具有对置的内壁和外壁。其内壁与负极2直接地接触。其中，负极壳1的内壁限定容纳负极2的内腔，外壁与正极壳4的侧壁绝缘且密封接触(例如通过绝缘密封胶连接，或者绝缘的密封圈3填充两者之间的间隙)，并将隔膜5和正极11一并挤压以约束于组装腔内。

为了使负极壳1和正极壳4之间的结合是牢固和紧密的，负极壳1被限定在正极壳4的内部，从而使得负极壳1通过外壁与正极壳4的侧壁的内侧配合。并且，负极壳1的外壁具有向外扩张的趋势，而正极壳4的侧壁则具有向内收缩趋势，从而使负极壳1和正极壳4彼此施加相向的作用力而将夹持在两者之间的密封圈3或密封胶紧密和牢固地固定。

基于这样的结构设计，该电池以扣式结构实现，因此，其具有更小的封装体积和高的封装密度，便于各种小型电子设备使用，如助听器、蓝牙耳机，等等。然而，该电池的气孔10就可能成为电池的电解液渗漏的潜在途径。

一般而言，该电池在装配过程中会对正极11(正极片)进行加压，因此正极11片中的防水透气膜会被压缩并与正极壳4底部圆环形平台12位置(接触区)形成环状密着状态。这种密着状态可以在很大程度上避免电解液从防水透气膜与正极壳4平台位置13的缝隙中溢出，进而避免了电解液从气孔10处漏出污染腐蚀用电器。

然而，该电池中，正极11一般以片式结构实现，且由正极11卷料通过冲切成正极11圆片。冲切过程可能产生小的粉料颗粒。同时，用于制作防水透气膜的PTFE膜易吸附前述细小的粉料及灰尘类杂质，所以正极11片制备过程中及电池装配过程中PTFE膜的边缘位置很容易粘少量细小的粉料或灰尘类杂质。此外，经过冲切，PTFE膜的边缘也易存在少量的破损，也就是PTFE膜边缘难以保证完全的平滑性。

这样就会局部破坏防水透气膜与正极壳4的底部平台位置13形成的密着状态，进而容易成为电解液溢出的缺陷。当存在该缺陷时，电池的潜在漏液途径例如图2所示。

换言之，当正极11片的PTFE膜边缘位置无破损、杂质含量低且正极壳4底部的圆环位置的杂质含量低时，电池的密封性则会相对较高。但是，这样的工艺要求，对工业化生产的环境管控及正极11片材质、正极壳4材质都提出了较高要求，从而使量产的电池的成本升高、制作周期延长。

基于上述情况，发明人尝试从结构方面对该电池进行改进，从而提出了一种新的空气电池，下述以锌空气电池代指。

该锌空气电池与图1、图2所示的空气电池的主要区别在于，其还包括防渗层14，如图3所示。该防渗层14在部分示例中以涂覆的胶水的方式被实现。

对于具有防渗层14的锌空气电池而言，正极11是以活性层与隔膜5接触、防水透气层8与防渗层14接触的方式布置。并且，防渗层14从正极壳4的底壁的外边缘向内侧延伸。即防渗层14的由接触区至沉台区的方向延伸至覆盖接触区的部分或全部。图3中，防渗层14的一端与侧壁接触(底壁的外边缘)，防渗层14的另一端接近接触区的内侧边缘。一些具体的示例中，防渗层14的宽度被定义为从接触区向沉台区延伸的长度。因此，防渗层14的宽度可以是接触区的宽度的1/2至1倍，或者3/4至1倍。接触区的宽度则是底壁的外边缘到内侧沉台区的起始部分的长度。

顾名思义，该防渗层14是作为提供防渗作用的结构而实现的。并且，在完整封装的锌空气电池结构中，防渗层14贴合在正极壳4的底壁的接触区，从而与正极11紧密接触。换言之，锌空气电池通过设置防渗层14将导致漏液的可能存在的缺陷部分进行了预防性质的防护操作。防渗层14可以将由此缺陷产生的通道进行阻挡、阻断。

对于防渗层14的具体构造而言，其可以从正极壳4的底壁的接触区的表面以凸出的方式设置。或者，底壁的接触区具有一个凹槽，而防渗层14则可以部分嵌入到其中，其露出至凹槽外的部分则可以被正极11挤压，从而将正极11与底壁之间的间隙封堵。

防渗层14通常被选择为片式结构。其大致具有均匀的厚度，因此，防渗层14可被构造以具有与正极11抵触的接触面，同时该接触面是平坦的。进一步地，防渗层14具有由前述的接触面到正极壳4的底壁限定的厚度，且接触面到底壁之间的距离是恒定的。在不同示例中，防渗层14的厚度能够被自由地选择。例如，一些示例中防渗层14的厚度为10至50微米或20至30微米。

就材质而言，防渗层14的选择根据电池的电解液特性进行选择，即其需要对于电解液是惰性的。例如，防渗层14为耐碱的树脂材质。一些具体可替代的示例中，防渗层14是由磺化聚乙烯、沥青、柏油、氯磺化聚乙烯或环氧树脂制作而成。进一步地，在选择防渗层14时，还可以考虑其具有一定的弹性，由此通过对其厚度等尺寸和规格的选择。通过对其尺寸和规格的选择，在被封装于电池中，防渗层14被挤压于正极11和正极壳的底壁之间而处于弹性变形状态。

锌空气电池中的其它结构未于以提及的部分，请参阅上述对于发明人所实现的空气电池中的相关描述。

该锌空气电池的制作/装配工艺如下，以便本领域技术人员更方便地进行实施。

在正极壳4的底部的圆环形平台12位置处，采用涂布、干燥的方法制作一层耐碱性胶水。胶水材质为环氧树脂和沥青材质。胶水具备良好的压缩性能及耐碱性能。通过机器涂布、干燥的胶水，可以保证正极壳4的底部圆环位置一整圈都有胶水而无缺口。

胶水粘度在300至600mPa·s。如胶水粘度过高则可用溶剂进行稀释处理。胶水厚度在10至50μm之间。

胶水厚度过大时不易干燥，多余的胶水也易流到正极壳4凹槽里，从而可能会堵住进气孔10；胶水厚度过小时，涂胶难度过大，不便于操作。胶水的宽度可选择在正极壳4底部的圆环(位于接触区)宽度的0.5至1倍之间。胶水涂布的宽度超过正极壳4的底部的圆环宽度，会在涂布时流到正极壳4凹槽(沉台区)内，从而影响扩散纸/防水透气层8的放置且容易堵住气孔10。胶水宽度过小时，涂胶难度过大且不能很好地避免漏液问题。

胶水的涂布位置根据胶水的宽度选择而在不同的示例中有所不同。当胶水的宽度不得超出正极壳4的底部平台位置13，以免流动性良好的胶水流到扩散纸位置及气孔10处影响放电。

在正极壳4的底部的圆环位置进行胶水涂布时，需保证涂布的厚度均匀且整个圆环均分布有胶水，以免电解液从没有涂到胶水的缺口位置漏出漏液。

当整个正极壳4的底部圆环位置均分布有胶水，但是胶水厚度分布非常不均匀时，会导致正极11片在其中不能平坦放置，进而引起封口后的正极片发生不均匀受力并因此变形，使正极片结构破坏并导致放电异常。

通过上述的方案的实施，正极壳4的底部的圆环位置和防水透气膜边缘位置，由圆环状耐碱性胶水形成一整圈完美密着状态，从而避免了电解液经由正极壳4的底部圆环和防水透气膜之间漏出，从而阻止了从气孔10处漏液的问题。

基于上述分析可以知晓，发明人改进提出的该锌空气电池结构具有这样的优势：制作工艺上而言，降低了对正极11片的PTFE膜面(防水透气层8)的平滑性及杂质要求，可以大大提高耐漏液性能。

为了验证基于上述锌空气电池的结构防漏液效果，试验如下。

使用图1中空气电池结构制作100颗PR41电池(A电池)；使用图3中扣式锌空气电池结构制作100颗PR41电池(B电池)。

两者的制作工艺区别在于：依据图3结构的电池中，正极壳的底部平台位置增加涂胶工艺。涂胶使用哈尔滨精诚密封胶M-11，涂0.8mm宽，20厚。

全部的200颗电池放在60度烘箱内，高温老化20天后确认电池漏液情况，漏液数据见表1。

表1电池漏液数量对比数据

组别	60度高温老化20天漏液数量
		A电池	4/100
B电池	0/100

由上述结果可知：

由于图3结构所示的锌空气电池中，防渗层(如胶水)具备良好压缩性能及耐碱性能，并且可以保证正极壳底部的圆环位置一整圈都有胶水且无缺口。因此，正极壳的底部圆环位置和防水透气膜边缘位置，通过圆环状的耐碱性胶水形成一整圈而呈现密着状态，从而避免电解液经由正极壳的底部圆环防水透气膜之间漏出。

因此，通过设置防渗层可以降低对正极片中的PTFE膜面的平滑性及杂质要求，同时还可以大大提高防漏液性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锌空气电池，包括正极、隔膜以及负极，其特征在于，还包括相互配合的负极壳和正极壳；

所述正极壳包括底壁和侧壁，且所述底壁和侧壁限定组装腔；

其中，上述底壁具有接触区和沉台区，所述沉台区相对于接触区呈凹陷状，所述接触区分布在沉台区的外围区域，所述接触区从侧壁向沉台区所在的区域延伸，所述接触区设置有防渗层，所述沉台区具有气孔；

所述负极壳具有对置的内壁和外壁；

其中，所述内壁限定容纳负极的内腔，所述外壁与所述正极壳的侧壁绝缘且密封接触，并将隔膜和正极一并挤压以约束于组装腔内，从而使所述正极与所述接触区的防渗层接触。

2.根据权利要求1所述的锌空气电池，其特征在于，所述防渗层从接触区的表面以凸出的方式设置。

3.根据权利要求1或2所述的锌空气电池，其特征在于，所述防渗层具有与正极抵触的接触面，所述接触面是平坦的。

4.根据权利要求3所述的锌空气电池，其特征在于，所述接触面到所述底壁之间的距离是恒定的；

可选地，防渗层的厚度为10至50微米或20至30微米；

可选地，防渗层由接触区至沉台区的方向延伸至覆盖接触区的部分或全部。

5.根据权利要求1所述的锌空气电池，其特征在于，所述防渗层具有弹性，且被挤压于正极和底壁之间而处于弹性变形状态。

6.根据权利要求5所述的锌空气电池，其特征在于，所述防渗层为耐碱的树脂材质；

可选地，防渗层是磺化聚乙烯、沥青、柏油、氯磺化聚乙烯或环氧树脂；

可选地，防渗层以胶水涂覆的形式而附着在接触区。

7.根据权利要求1或5或6所述的锌空气电池，其特征在于，所述正极包括叠置的活性层和防水透气层，所述活性层由集流网和催化剂构成；

所述正极以活性层与隔膜接触、防水透气层与防渗层接触的方式布置。

8.根据权利要求7所述的锌空气电池，其特征在于，所述防水透气层为具有可压缩性的聚四氟乙烯膜。

9.根据权利要求1所述的锌空气电池，其特征在于，所述锌空气电池包括扩散层；

扩散层覆盖在底壁的沉台区并遮蔽气孔，以使从气孔进入电池内部的空气被均匀地分布在正极。

10.根据权利要求1或9所述的锌空气电池，其特征在于，所述负极通过密封圈与所述侧壁进行绝缘接触。

Images