CN114744339A - 一种固态锌空气电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种固态锌空气电池，包括第一壳体、第二壳体、空气正极组件和锌负极组件，第一壳体和第二壳体之间密封连接且中间具有空腔；空气正极组件和锌负极组件位于空腔内；空气正极组件包括正极板和半透膜复合层，半透膜复合层的一表面层为具有防水透气功能的半透膜，第一壳体的一面具有若干透气孔，透气孔内侧依次贴合半透膜复合层、正极板，半透膜贴紧透气孔；锌负极组件包括负极板和凝胶电解质，凝胶电解质内均匀混合锌粉；第二壳体内侧贴合负极板，凝胶电解质填充于正极板和负极板之间的空腔内。该固态锌空气电池更安全，更高能量密度；采用分体式的壳体封装电池，能够利用自动化设备大规模的组装，降低了电池的组装成本。

Description

一种固态锌空气电池
技术领域
本发明涉及电池的技术领域，具体是一种固态锌空气电池。
背景技术
锌空气电池，具有高能量密度，每公斤发电量能够达到0.3KWH，较锂电池高出一倍。具体来说，重量只有锂电池的一半，锌空气电池的电量是锂电池的两倍之多，且蓄电量的增大，也不会使锌空气电池更易爆炸，安全性高。由于仅使用空气中的氧及价格相对低廉的锌，锌空气电池的成本低。锌空气电池摒弃了传统电池中的铅、汞、镉等有毒物质，解决了传统电池的污染问题。而且电池使用后的主要反应产物是氧化锌，可以方便的回收利用。
现有的一种锌空气电池，采用整体的壳体和端盖来封装电池的正极材料和负极材料，负极材料中包括金属锌与高浓度的碱性电解液，电解液为液体的形态，存在泄露的可能性，不安全。整体的壳体和端盖结构封装电池，正极材料和负极材料插入不便利，电解液难于灌装，组装效率低；很难使用自动化设备大规模组装，人工组装或者半自动化组装成本高。
因此，需要解决上述技术问题。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供一种固态锌空气电池,负极材料中采用凝胶电解质替代传统的电解液，避免了电解液的泄露，更安全；采用分体式的壳体封装电池，组装方便，能够利用自动化设备大规模的组装，组装效率高，降低了电池的组装成本。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种固态锌空气电池，包括第一壳体、第二壳体、空气正极组件和锌负极组件，所述第一壳体和第二壳体之间密封连接，所述第一壳体和第二壳体中间具有空腔；所述空气正极组件和锌负极组件位于所述空腔内，所述空气正极组件位于所述第一壳体侧，所述锌负极组件位于所述第二壳体侧；
所述空气正极组件包括正极板和半透膜复合层，所述半透膜复合层的一表面层为具有防水透气功能的半透膜，所述第一壳体的一面具有若干透气孔，所述透气孔内侧依次贴合半透膜复合层、正极板，所述半透膜贴紧所述透气孔；
所述锌负极组件包括负极板和凝胶电解质，所述凝胶电解质内均匀混合锌粉；所述第二壳体内侧贴合所述负极板，所述凝胶电解质填充于所述正极板和负极板之间的空腔内。
上述固态锌空气电池的负极材料采用凝胶电解质替代传统的电解液，避免了电解液的泄露，更安全；采用第一壳体和第二壳体密封连接，分体式的壳体封装电池，组装方便，能够利用自动化设备大规模的组装，组装效率高，降低了电池的组装成本。
进一步所述半透膜复合层还具有催化层、集流层和导电层，所述半透膜、催化层、集流层和导电层压合为一体，所述导电层贴合所述正极板。一体式的半透膜复合层有利于电池的组装。
进一步所述凝胶电解质通过以下步骤制备：
S1，加入丙烯酰胺，丙烯酸为反应单体溶于去离子水中，其中所述丙烯酰胺与所述去离子水的质量百分比为0.08～0.1：1，所述丙烯酸与所述去离子水的体积百分比为0.09～0.11：1；
S2，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，所述N,N’-亚甲基双丙烯酰胺与所述去离子水的质量百分比为0.0009～0.0011：1；
S3，加入N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂，所述N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与所述去离子水的体积百分比为0.0009～0.0011：1；
S4，加入过硫酸铵作为引发剂，快速搅拌均匀，所述过硫酸铵与所述去离子水的质量百分比为0.00018～0.00022：1；
S5，将获得的溶液倾倒在玻璃状模具中，在60℃下加热2小时后获得PAM-co-PAA水凝胶；
S6，将上述的PAM-co-PAA水凝胶在80℃经过12小时的除水处理，再浸泡在6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的碱溶液中24小时之后，获得PAM-co-PAA碱性水凝胶电解质。
进一步所述催化层包括N,S共掺杂具有反蛋白石结构碳负载Co9S8纳米粒子的催化剂，上述催化剂通过以下方法制备：
(1)将质量百分比为0.1：1：0.5的六水硝酸钴、硫脲与葡萄糖混合研磨；
(2)将平均直径为200nm的SiO2纳米球添加到上述混合物中，所述SiO2纳米球的质量与所述硫脲质量相同；
(3)充分混合后，将前者置于惰性气体下的管式炉中进行热处理，温度900℃，时间2小时；
(4)降温并将上述物质破碎，加入2mol/L的氢氧化钠溶液在45℃下24小时溶解SiO2纳米模板，得到最终的催化剂。
进一步所述第一壳体和第二壳体之间设有密封垫，所述密封垫中间开孔避开所述空腔，所述密封垫贴合在所述空腔的周围。空腔四周通过密封垫密封，保证凝胶电解质的密封。
进一步所述正极板沉入所述第一壳体内，所述正极板延伸出第一正极引脚和第二正极引脚；所述负极板沉入所述第二壳体内，所述负极板延伸出第一负极引脚和第二负极引脚；
所述正极板和负极板的材质为不锈钢或者镍合金；不锈钢或者镍合金的正极板和负极板具有良好的耐腐蚀性，并且有助于提高电池的能量密度；
所述密封垫具有两个第一凸起分别压紧所述第一正极引脚和第二正极引脚，所述密封垫具有两个第二凸起分别压紧所述第一负极引脚和第二负极引脚。第一正极引脚、第二正极引脚、第一负极引脚和第二负极引脚方便电池的接线，正极板和负极板分别是双引脚接线，增加了电流进出的通道，有利于电池电量稳定的输出，并且有利于电池内部热量的散发。
进一步所述第二壳体上具有若干定位柱穿过所述密封垫和第一壳体；
所述第一壳体内侧所述空腔边缘具有定位凹槽，所述密封垫上设有定位凸起，所述定位凸起沉入所述定位凹槽内。第二壳体上的定位柱有利于第一壳体、密封垫和第二壳体的组装。
进一步所述第一正极引脚和第二正极引脚分别向所述第一壳体外侧折弯成锐角结构，所述第一负极引脚和第二负极引脚分别向所述第二壳体外侧折弯成锐角结构。锐角结构的第一正极引脚、第二正极引脚、第一负极引脚和第二负极引脚方便拼装电池之间的电极连接。
进一步所述第一壳体外侧具有若干堆叠定位孔，所述第二壳体外侧具有若干堆叠凸起，所述堆叠定位孔与所述堆叠凸起对称布置，多块所述固态锌空气电池组合时，所述堆叠凸起位于所述堆叠定位孔内。通过堆叠凸起位于堆叠定位孔内，方便电池间的拼装，并保证电池间的间隙有利于正负极反应时空气的进入。
进一步所述第一壳体外侧设有盖板，所述盖板密封若干所述透气孔。在电池未启封前，使用盖板将若干透气孔密封，有利于电池电量的保存，避免电池的自放电。
本发明与现有技术相比具有如下技术优点：
1、该固态锌空气电池的负极材料采用凝胶电解质替代传统的电解液，避免了电解液的泄露，更安全；采用分体式的壳体封装电池，组装方便，能够利用自动化设备大规模的组装，组装效率高，降低了电池的组装成本；
2、该固态锌空气电池的凝胶电解质内均匀混合锌粉，催化层包括N,S共掺杂具有反蛋白石结构碳负载Co9S8纳米粒子的催化剂，电池的能量密度高；
3、该固态锌空气电池拼装方便，组装效率高。
附图说明
图1是本发明固态锌空气电池实施例的第一立体图；
图2是本发明固态锌空气电池实施例的第二立体图；
图3是图2的主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是本发明固态锌空气电池实施例的半透膜复合层的剖视图；
图6是本发明固态锌空气电池实施例的爆炸图；
图7是图6中第一壳体的立体图；
图8是图6中密封垫的立体图；
图9是本发明固态锌空气电池实施例带盖板的立体图；
图10是图9中盖板的立体图。
具体实施方式
下面将结合附图中的实施例对本发明作进一步地详细说明。
如图1至10所示，本发明固态锌空气电池的实施例。
如图1、图3、图4及图6所示，固态锌空气电池包括第一壳体100、第二壳体200、空气正极组件300和锌负极组件400，第一壳体100和第二壳体200之间密封连接，第一壳体100和第二壳体200中间具有空腔500；空气正极组件300和锌负极组件400位于空腔500内，空气正极组件300位于第一壳体100侧，锌负极组件400位于第二壳体200侧。
如图1、图4、图5及图6所示，空气正极组件300包括正极板310和半透膜复合层320，正极板310为不锈钢材质，耐腐蚀；半透膜复合层320的一表面层为具有防水透气功能的半透膜321，第一壳体100的一面具有若干透气孔110，透气孔110内侧依次贴合半透膜复合层320、正极板310，半透膜321贴紧透气孔110。
如图4及图6所示，锌负极组件400包括负极板410和凝胶电解质420，负极板410为不锈钢材质，耐腐蚀；凝胶电解质420内均匀混合锌粉；第二壳体200内侧贴合负极板410，凝胶电解质420填充于正极板310和负极板410之间的空腔500内。
该固态锌空气电池的负极材料采用凝胶电解质替代传统的电解液，避免了电解液的泄露，更安全；采用第一壳体和第二壳体密封连接，分体式的壳体封装电池，组装方便，能够利用自动化设备大规模的组装，组装效率高，降低了电池的组装成本。
如图5所示，半透膜复合层320还具有催化层322、集流层323和导电层324，半透膜321、催化层322、集流层323和导电层324压合为一体，导电层324贴合正极板310。集流层323为镍网或者铜网，导电层324为导电炭黑、活性炭或者石墨烯中的一种或者几种。一体式的半透膜复合层有利于电池的组装。
该固态锌空气电池的锌负极组件中凝胶电解质的制备如下。
具体实施方式一：
S1，加入8g丙烯酰胺，9ml丙烯酸为反应单体溶于100ml去离子水中，；
S2，加入0.09gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂；
S3，加入0.09mlN,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂；
S4，加入0.018g过硫酸铵作为引发剂，快速搅拌10秒至均匀；
S5，将获得的溶液倾倒在玻璃状模具中，在60℃下加热2小时后获得PAM-co-PAA水凝胶；
S6，将上述的PAM-co-PAA水凝胶在80℃经过12小时的除水处理，再浸泡在6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的碱溶液中24小时之后，获得第一实施方式的PAM-co-PAA碱性水凝胶电解质。
具体实施方式二：
S1，加入9g丙烯酰胺，10ml丙烯酸为反应单体溶于100ml去离子水中，；
S2，加入0.1gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂；
S3，加入0.1mlN,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂；
S4，加入0.02g过硫酸铵作为引发剂，快速搅拌10秒至均匀；
S5，将获得的溶液倾倒在玻璃状模具中，在60℃下加热2小时后获得PAM-co-PAA水凝胶；
S6，将上述的PAM-co-PAA水凝胶在80℃经过12小时的除水处理，再浸泡在6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的碱溶液中24小时之后，获得第二实施方式的PAM-co-PAA碱性水凝胶电解质。
具体实施方式三：
S1，加入10g丙烯酰胺，11ml丙烯酸为反应单体溶于100ml去离子水中，；
S2，加入0.11gN,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂；
S3，加入0.11mlN,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂；
S4，加入0.022g过硫酸铵作为引发剂，快速搅拌10秒至均匀；
S5，将获得的溶液倾倒在玻璃状模具中，在60℃下加热2小时后获得PAM-co-PAA水凝胶；
S6，将上述的PAM-co-PAA水凝胶在80℃经过12小时的除水处理，再浸泡在6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的碱溶液中24小时之后，获得第三实施方式的PAM-co-PAA碱性水凝胶电解质。
空气正极组件的半透膜复合层中催化层包括N,S共掺杂具有反蛋白石结构碳负载Co9S8纳米粒子的催化剂，该催化剂通过以下方法制备：
(1)用研钵将0.1g六水硝酸钴、1.0g硫脲与0.5g葡萄糖混合研磨；
(2)将1.0g平均直径为200nm的SiO2纳米球添加到上述混合物中；
(3)充分混合后，将前者置于惰性气体下的管式炉中进行热处理，温度900℃，时间2小时；
(4)降温并将上述物质破碎，加入2mol/L的氢氧化钠溶液在45℃下24小时溶解SiO2纳米模板，得到最终的催化剂。
将上述的催化剂5.0g、乙炔黑3.0g、活性炭3.0g、造孔剂NH4HCO33.0g、聚四氟乙烯PTFE1.0g混合，加入无水乙醇形成催化层膏，室温干燥6-7天形成固体粉，再压片形成0.3mm厚的薄片，即为催化层。
该固态锌空气电池具有上述任一实施方式的凝胶电解质，催化层包括N,S共掺杂具有反蛋白石结构碳负载Co9S8纳米粒子的催化剂，电池的能量密度高。
如图1、图6及图8所示，第一壳体100和第二壳体200之间设有密封垫600，密封垫600中间开孔避开空腔500，密封垫600贴合在空腔500的周围。空腔四周通过密封垫密封，保证凝胶电解质的密封。
如图1及图6所示，正极板310沉入第一壳体100内，正极板310延伸出第一正极引脚311和第二正极引脚312；负极板410沉入第二壳体200内，负极板410延伸出第一负极引脚411和第二负极引脚412。
如图8所示，密封垫600具有两个第一凸起610分别压紧第一正极引脚311和第二正极引脚312，密封垫600具有两个第二凸起620分别压紧第一负极引脚411和第二负极引脚412。第一正极引脚311、第二正极引脚312、第一负极引脚411和第二负极引脚412方便电池的接线。
如图6所示，第二壳体200上具有若干定位柱210穿过密封垫600和第一壳体100。
如图7及图8所示，第一壳体100内侧空腔500边缘具有定位凹槽120，密封垫600上设有定位凸起630，定位凸起630沉入定位凹槽120内。第二壳体200上的定位柱210有利于第一壳体100、密封垫600和第二壳体200的组装。密封垫的定位凸起沉入第一壳体的定位凹槽内，保证密封垫压紧后的平整，具有更好的密封性。
如图1及图4所示，第一正极引脚311和第二正极引脚312分别向第一壳体100外侧折弯成锐角结构，第一负极引脚411和第二负极引脚412分别向第二壳体200外侧折弯成锐角结构。锐角结构的第一正极引脚、第二正极引脚、第一负极引脚和第二负极引脚方便拼装电池之间的电极连接，相互连接的引脚通过弹性贴合在一起，保证良好的电连接。
如图1及图2所示，第一壳体100外侧具有四个堆叠定位孔130，第二壳体200外侧具有四个堆叠凸起220，堆叠定位孔130与堆叠凸起220对称布置，多块固态锌空气电池组合时，堆叠凸起220位于堆叠定位孔130内。通过堆叠凸起位于堆叠定位孔内，方便电池间的拼装，并保证电池间的间隙有利于正负极反应时空气的进入。
如图1、图9及图10所示，第一壳体100外侧设有盖板700，盖板700密封若干透气孔110，盖板700上设有若干卡入透气孔110内的凸起封住透气孔110。在电池未启封前，使用盖板将若干透气孔密封，有利于电池电量的保存，避免电池的自放电。
以上所举实施例仅用来方便说明该发明的内容，并非对其作形式上的限制；任何所属技术领域中具有公知常识者，在不脱离本发明所提技术特征及相似特征的范畴，利用该发明所揭示技术内容所作出局部更改或修饰的等效实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态锌空气电池，其特征在于，包括第一壳体、第二壳体、空气正极组件和锌负极组件，所述第一壳体和第二壳体之间密封连接，所述第一壳体和第二壳体中间具有空腔；所述空气正极组件和锌负极组件位于所述空腔内，所述空气正极组件位于所述第一壳体侧，所述锌负极组件位于所述第二壳体侧；
所述空气正极组件包括正极板和半透膜复合层，所述半透膜复合层的一表面层为具有防水透气功能的半透膜，所述第一壳体的一面具有若干透气孔，所述透气孔内侧依次贴合半透膜复合层、正极板，所述半透膜贴紧所述透气孔；
所述锌负极组件包括负极板和凝胶电解质，所述凝胶电解质内均匀混合锌粉；所述第二壳体内侧贴合所述负极板，所述凝胶电解质填充于所述正极板和负极板之间的空腔内。
2.根据权利要求1所述的固态锌空气电池，其特征是，所述半透膜复合层还具有催化层、集流层和导电层，所述半透膜、催化层、集流层和导电层压合为一体，所述导电层贴合所述正极板。
3.根据权利要求1所述的固态锌空气电池，其特征是，所述凝胶电解质通过以下步骤制备：
S1，加入丙烯酰胺，丙烯酸为反应单体溶于去离子水中，其中所述丙烯酰胺与所述去离子水的质量百分比为0.08～0.1：1，所述丙烯酸与所述去离子水的体积百分比为0.09～0.11：1；
S2，加入N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，所述N,N’-亚甲基双丙烯酰胺与所述去离子水的质量百分比为0.0009～0.0011：1；
S3，加入N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂，所述N,N,N’,N’-四甲基乙二胺与所述去离子水的体积百分比为0.0009～0.0011：1；
S4，加入过硫酸铵作为引发剂，快速搅拌均匀，所述过硫酸铵与所述去离子水的质量百分比为0.00018～0.00022：1；
S5，将获得的溶液倾倒在玻璃状模具中，在60℃下加热2小时后获得PAM-co-PAA水凝胶；
S6，将上述的PAM-co-PAA水凝胶在80℃经过12小时的除水处理，再浸泡在6mol/L氢氧化钾和0.2mol/L乙酸锌的碱溶液中24小时之后，获得PAM-co-PAA碱性水凝胶电解质。
4.根据权利要求2所述的固态锌空气电池，其特征是，所述催化层包括N,S共掺杂具有反蛋白石结构碳负载Co9S8纳米粒子的催化剂，上述催化剂通过以下方法制备：
(1)将质量百分比为0.1：1：0.5的六水硝酸钴、硫脲与葡萄糖混合研磨；
(2)将平均直径为200nm的SiO2纳米球添加到上述混合物中，所述SiO2纳米球的质量与所述硫脲质量相同；
(3)充分混合后，将前者置于惰性气体下的管式炉中进行热处理，温度900℃，时间2小时；
(4)降温并将上述物质破碎，加入2mol/L的氢氧化钠溶液在45℃下24小时溶解SiO2纳米模板，得到最终的催化剂。
5.根据权利要求1所述的固态锌空气电池，其特征是，所述第一壳体和第二壳体之间设有密封垫，所述密封垫中间开孔避开所述空腔，所述密封垫贴合在所述空腔的周围。
6.根据权利要求5所述的固态锌空气电池，其特征是，所述正极板沉入所述第一壳体内，所述正极板延伸出第一正极引脚和第二正极引脚；所述负极板沉入所述第二壳体内，所述负极板延伸出第一负极引脚和第二负极引脚；
所述正极板和负极板的材质为不锈钢或者镍合金；
所述密封垫具有两个第一凸起分别压紧所述第一正极引脚和第二正极引脚，所述密封垫具有两个第二凸起分别压紧所述第一负极引脚和第二负极引脚。
7.根据权利要求5所述的固态锌空气电池，其特征是，所述第二壳体上具有若干定位柱穿过所述密封垫和第一壳体；
所述第一壳体内侧所述空腔边缘具有定位凹槽，所述密封垫上设有定位凸起，所述定位凸起沉入所述定位凹槽内。
8.根据权利要求5所述的固态锌空气电池，其特征是，所述第一正极引脚和第二正极引脚分别向所述第一壳体外侧折弯成锐角结构，所述第一负极引脚和第二负极引脚分别向所述第二壳体外侧折弯成锐角结构。
9.根据权利要求1所述的固态锌空气电池，其特征是，所述第一壳体外侧具有若干堆叠定位孔，所述第二壳体外侧具有若干堆叠凸起，所述堆叠定位孔与所述堆叠凸起对称布置，多块所述固态锌空气电池组合时，所述堆叠凸起位于所述堆叠定位孔内。
10.根据权利要求1所述的固态锌空气电池，其特征是，所述第一壳体外侧设有盖板，所述盖板密封若干所述透气孔。
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