CN1169238C - 锌空气电池的防漏液方法 - Google Patents
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Abstract
一种锌空气电池防漏液方法，是在电池壳内侧设置吸水性树脂层，来将电池的漏液在电池内部被全部吸收掉，不让电解液漏到电池壳的外面来；这样既可以大大提高电池的放电电流，又能保证电池不会漏液腐蚀损坏用电池的电器，从而有效地克服解决锌空气电池先天性的矛盾缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电化学领域，特别是锌空气电池的防漏液方法。
背景技术
锌空气电池就是以锌为负极活性物质，空气中的氧气为正极活性物质的一种电池，电池所需的氧气被消耗后可以源源不断地从空气中得到补充，继续产生电流，所以只要有充分的负极材料锌和电解液存在，电池就可以不断地持续工作下去。因此，该电池的显著特点就是比能量高，在理论上可达1350Wh/Kg。以常用的碱性锌空气电池为例，两极及电池的反应如下：
负极
正极
电池反应
由于锌空气电池在原理上依赖于空气中的氧气扩散进电池内，所以整个电池系统不能设计成封闭系统。氧电极一般采用类似于燃料电池中的氧电极，主要由防水透气层、导电网、催化层三部分组成。防水透气层主要由憎水材料制成，如聚四氟乙烯、聚乙烯等。在其中形成大量的毛细孔，当它与电解液接触时，由于材料的憎水性，毛细孔内的液面呈弯月形而产生一个指向液体内部的附加压力。这个压力阻止了内部液体的渗漏，但外面的空气却能够透过毛细孔而进入电池的电解液内。这个压力的大小与空气扩散电极的微孔孔径大小、电解液在微孔内壁材料表面浸润的接触角、电解液的蒸气压等有关，是电池密封问题的关键。
事实上，多年来锌空气电池一直未能大规模实用化和产业化的主要原因是其爬碱漏液、放电电流密度低等关键技术难题一直未能得到较好的解决。前者实际上会使锌空气电池在使用过程中漏到电池壳外的电解液会腐蚀损坏使用电池的设备；后者则是使其只能适用于小功率的用电设备，限制了电池的使用范围。而且这二者之间还存在一个先天性的矛盾：要想防止电池的爬碱漏液，缩小空气扩散电极微孔的孔径、减少空气扩散通道即缩小微孔的总面积是一种有效的方法，但这同时却会降低空气进入电池内的扩散速度而降低电池的放电电流；反之，要想提高锌空气电池的放电电流，加大空气扩散电极的微孔孔径、增加空气扩散通道即扩大微孔的总面积也是一种有效的方法，但这又会加剧了电池的爬碱漏液。这本身就是锌空气电池原理上的一个缺陷。也正因为该原因，七十年代在中国及国际掀起的锌空气电池的研究热，八十年代以后逐渐冷了下来。近年来，由于便携式电子信息产品的迅速发展和更新换代，对电池的技术指标提出了更高的要求，从而使具有超高比容量的锌空气电池这个大冷门又开始吸引了国内外不少化学电源研究工作者的目光。人们企图从电池密封结构、电池密封材料、电解液配方添加助剂等方面来寻求解决方案，但至今依然未取得根本性的突破。
发明内容
本发明的目的在于针对锌空气电池存在的上述先天性的矛盾缺陷，在考虑用增大空气扩散电极微孔孔径及透气孔总面积的方法来提高电池放电电流密度的同时，在电池内部采用一种防漏液方法，包括结构设计和吸水性树脂材料的应用，来将电池的漏液在电池内部被全部吸收掉，不让电解液漏到电池壳的外面来。这样既可以大大提高电池的放电电流，又能保证电池不会漏液腐蚀损坏用电池的电器，从而有效地克服解决锌空气电池先天性的矛盾缺陷。
本发明的锌空气电池防漏夜方法是在电池壳内侧设置吸水性树脂层。
图1是设置有吸水性树脂层的锌空气电池结构示意图：负极锌膏5中的电解液通过隔膜筒4、空气扩散电极3渗漏出来之后，立即被贴在电池壳1内侧的吸水性树脂层2所吸纳，使电解液不会从电池壳中的空气透气孔7漏出。空气扩散电极3通过极耳8与电池外壳1相连接，负极集流针6和负极盖9连为一体。
本发明所采用的吸水性树脂层可以多孔结构层，例如网状、纤维状或发泡状多孔结构。且其厚度应根据实际需要来进行控制。
除了考虑吸水性树脂材料对水分的快速高效吸收之外，还要考虑其对电解液离子的吸收效果，以及材料吸液后的体积变化情况等因素。发明人经过探索性试验，发现淀粉或纤维素改性类(如接枝丙烯腈)吸水性树脂、聚丙烯酸类吸水性树脂、聚乙烯醇(PVA)类吸水性树脂效果最佳。这主要是因为它们中都含有非离子性极性基团的吸水链段，能与溶液中的电解质离子产生络合效应，因而对电解质溶液亦有良好的吸纳效果。
本发明与现有的技术相比较，具有如下的优点：(1)通过在锌空气电池内采用吸水性树脂来吸收从空气扩散电极渗漏出来的碱性电解液，把漏液严格控制在电池的内部，从而不会影响使用电池电器的使用安全；(2)由于锌空气电池的防漏与空气扩散电极的透气微孔孔径大小和透气孔总面积的大小都已无关，所以电池可通过任意增大透气孔总面积和增大透气微孔孔径的方法来增大放电电流。这就从根本上解决了消除锌空气电池防漏液爬碱与增大放电电流之间原理上的矛盾和缺陷；(3)该发明对于各种尺寸及大小容量的圆柱型、方型、扣式等结构的锌空气电池都适用；(4)本发明从锌空气电池技术传统的防漏思路和技术路线中走了出来，使长期困扰该电池实用化和产业化的漏液爬碱及放电电流小的难题得到解决，无疑将为锌空气电池实现大规模实用化和产业化带来根本性的转折。
附图说明
图1是按照本发明方法设置有吸水性树脂层的锌空气电池结构示意图。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
——制作锌空气电池的空气扩散电极
先将防水透气层和催化层的物料分别放在大辊混炼设备上经过反复碾压混合均匀，并使之纤维化，然后将纤维化的物料加入到小辊成型设备上进行包辊成型，从而制成圆筒型的两种膜；把这两种圆筒型膜与圆筒型的集流网套在一起后在小辊成型设备上包辊压合成圆筒型的空气扩散电极。该空气扩散电极由外向里依次为集流网层、防水透气层和催化层。
——锌电极、隔膜及电池壳的制备
锌电极采用糊状锌膏，隔膜材料为聚丙烯无纺布膜，电池外壳与普通锌锰电池的外壳相同，但其正极端需另外开孔作为空气的透气孔。在电池壳的内侧贴上一层网状接枝丙烯腈吸水性树脂、。
——样品电池的装配
圆筒型空气电极成型后，通过极耳焊接将其与电池正极盖联接，在其内衬套上圆筒型的隔膜筒，继而在隔膜筒中注入锌膏和插入负极集流针及套上负极盖，最后进行电池壳的封口即得到如附图一所示的锌空气电池。
装配好的AA型锌空气样品电池的外型尺寸为：直径14.0mm，高49.5mm，用100mA的恒电流放电。电池的开路电压为1.43V，平均工作电压1.20V，放电容量达到5600mAh，而且这种锌空气电池在放电过程中和常温下搁置3个月都未出现漏液爬碱现象。
实施例2
——制作锌空气电池的空气扩散电极
制备方法同实施例一，但最后裁成10×10cm方型极片。
——锌电极、隔膜及电池壳的制备
锌电极采用糊状锌膏，隔膜材料为聚丙烯无纺布膜，电池外壳采用多孔塑料外壳。在电池壳的内侧贴上一层纤维状聚丙烯酸类吸水性树脂。
——样品电池的装配
空气电极成型后，通过极耳焊接将其与电池正极盖联接，在其内衬套上隔膜分隔开电池的正负极，最后进行电池壳的封口即得到方型锌空气电池。
装配好的方型锌空气样品电池的外型尺寸为：102mm×12mm×102mm，用300mA的恒电流放电。电池开路电压为1.43V，平均工作电压1.25V，放电容量达到30Ah以上，而且这种锌空气电池在放电过程中和常温下搁置3个月都未出现爬碱漏液现象。
Claims (5)
1、一种锌空气电池的防漏液方法，其特征在于在电池壳内侧设置吸水性树脂层，所述吸水性树脂层是多孔结构层。
2、根据权利要求1所述的锌空气电池的防漏液方法，其特征在于所述多孔结构层是网状、纤维状、发泡状其中一种或一种以上多孔结构。
3、根据权利要求1或2所述的锌空气电池的防漏液方法，其特征在于所述吸水性树脂是淀粉或纤维素改性类吸水性树脂。
4、根据权利要求1或2所述的锌空气电池的防漏液方法，其特征在于所述吸水性树脂是聚丙烯酸类吸水性树脂。
5、根据权利要求1或2所述的锌空气电池的防漏液方法，其特征在于所述吸水性树脂是聚乙烯醇类吸水性树脂。
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