CN117613426A - 一种锌镍电池负极片封装方法及应用 - Google Patents

一种锌镍电池负极片封装方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锌镍电池电极片技术领域的一种锌镍电池负极片封装方法及应用，锌镍电池负极片的活性材料为氧化锌，封装包括（1）将高浓度导电浆料与溶剂按比例混合获得不同浓度的导电浆料溶液；（2）将步骤（1）制得的导电浆料溶液充分混匀，再将锌镍电池负极片浸入导电浆料溶液中；（3）电极片表面固化，将步骤（2）得到的负极片进行干燥、压片，得到封装锌负极片。本发明通过浸涂的方式在已制备的电极片表面包覆导电浆料，在室温下固化得到封装锌负极片，将封装锌负极片与镍正极片组装成锌镍电池，制备的锌镍电池具有高的能量密度和长的循环寿命。

Description

一种锌镍电池负极片封装方法及应用
技术领域
本发明涉及锌镍电池电极片技术领域，特别涉及一种锌镍电池负极封装方法及其得到的封装锌负极片在锌镍电池的应用。
背景技术
锌镍电池作为水系二次电池，正极活性材料为氢氧化镍，负极活性材料为氧化锌，具有高安全性、低成本和绿色环保等优点，同时具有高的能量密度、功率密度和优异的倍率性能等电化学性能，应用领域包括启动电源、UPS、动力及储能电池等。但现有的商业上使用的锌镍电池的缺点为循环寿命差，这是由于在反复的充放电过程中，负极存在枝晶生长、钝化、析氢、变形等现象；并且众所周知的，锌镍电池的循环寿命主要由负极决定，因此解决以上负极存在的问题有助于获得长寿命锌镍电池。
在现有技术的解决思路中，大都着重于改性负极活性材料，采用不同种类的添加剂，改性胶粘剂，设计特殊结构的电极等方面，但这些方法几乎都存在试验周期长、开发成本高的缺陷，不利于锌镍电池的商业应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种锌镍电池负极片封装方法，阻止锌镍电池负极片表面枝晶生长，提高锌镍电池的循环寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种锌镍电池负极片封装方法，所述锌镍电池负极片的活性材料为氧化锌，所述封装包括以下步骤：
(1)将高浓度导电浆料与溶剂按比例混合获得不同浓度的导电浆料溶液；
(2)将步骤(1)制得的导电浆料溶液充分混匀，再将锌镍电池负极片浸入导电浆料溶液中；
(3)电极片表面固化，将步骤(2)得到的负极片进行干燥、压片，得到封装锌负极片。
进一步地，步骤1中所述的导电浆料中导电剂为石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管或者导电炭黑中的一种。
进一步地，步骤1中所述导电浆料与溶剂的质量比为1：(1～9)。
进一步地，步骤1中所述溶剂为乙醇。
进一步地，步骤3中所述的干燥在室温下进行，干燥至封装锌负极片表面固化。
进一步地，步骤3中所述压片的施加压力为10MPa。
本发明的另一个目的在于提供一种封装锌负极片的应用，所述封装锌负极片由权利要求1的方法进行封装，将制得的封装锌负极片和镍正极片组装成锌镍电池，磺化膜为隔膜，电解液为6M KOH+1MLiOH+饱和ZnO的PAAS凝胶状溶液。
本发明中，首先将高浓度的导电浆料稀释，通过浸涂的方式在已制备的电极片表面包覆导电浆料，在室温下固化得到封装锌负极片，将封装锌负极片与镍正极片组装成锌镍电池，制备的锌镍电池具有高的能量密度和长达3179次的循环寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，本发明在已制备的锌镍电池负极片表面封装一层导电物质石墨烯，以阻止充放电过程中负极表面枝晶生长，石墨烯为片状结构，覆贴在锌负极极片表面，可将锌负极完整包覆，减少负极活性材料流失，同时石墨烯具有优异的导电性，充放电时电流在电极表面均匀分布，不利于枝晶生长，从而提高锌镍电池循环寿命，将本发明方法封装的锌负极片与镍正极组装成锌镍电池进行电化学测试，显示循环圈数达到3179时，锌镍电池仍具有161Wh kg-1的能量密度，库伦效率为91％。
第二，本发明选用的导电浆料中导电物质为石墨烯，具有很好的导电性，可以降低电池内阻，提高充放电效率；石墨烯为片状结构，在电极表面覆盖一层所需的石墨烯量很少，可降低制备成本，制备流程简单易于实现，工艺条件易于控制，适合工业化生产，有利于锌镍电池的商业应用。
附图说明
图1是未封装锌负极片表面的SEM图。
图2是封装后锌负极片表面的SEM图。
图3为本发明制备的锌负极片与镍正极组装成锌镍电池的循环寿命图。
具体实施方式
实施例1：制备锌负极片并将其与镍正极组装成锌镍电池测试电化学性能。
(1)稀释石墨烯导电浆料：
称取5g含固量为10％的石墨烯导电浆料，常温下搅拌加入25g无水乙醇，石墨烯导电浆料与无水乙醇的质量比为1：5，搅拌时间2min，得到含固量为1.7％的石墨烯浆料。
(2)锌负极极片封装：
将氧化锌、氧化铋、胶粘剂、碳纳米管按87：3：5：5的质量比混合调制成均质浆料，涂覆在镀锡铜网上，烘干后得到锌负极片，将锌负极片浸入到含固量为1.7％的石墨烯浆料中，取出，即得到表面覆有石墨烯浆料的锌负极片，将锌负极片在室温下干燥至表面固化，再于10MPa压力下压片，制得封装锌负极片。
(3)锌镍电池测试：
将封装锌负极片与镍正极片(Ni(OH)2/碳纳米纤维复合材料、镍粉、胶粘剂按90：5：5质量比混合)组装成锌镍电池，以磺化膜为隔膜，电解液为6M KOH+1M LiOH+饱和ZnO的PAAS凝胶状溶液，测试其能量密度和循环稳定性等电化学性能。图3为组装的锌镍电池在20mA·cm-2电流密度下的循环寿命图，显示其能量密度最高可达174Wh·Kg-1，当循环次数达到3179次时，其能量密度依然可以维持161Wh·kg-1，表现出了长的循环寿命以及稳定的电化学性能。
对比例1：
锌负极极片的制备同实施例1，将制备的锌负极极片干燥后压片，表面不封装石墨烯导电浆料，与实施例1相同的镍正极片组装成锌镍电池，测试其能量密度和循环稳定性，结果见表1。
实施例2～7：
称取5g固含量为10％的石墨烯浆料，改变稀释剂无水乙醇的加入量，石墨烯浆料与无水乙醇的质量比为1:1、1:3、1:4、1:6、1:7和1:9，制备不同固含量的石墨烯浆料，具体步骤同实施例1，将实施例2～7制备的不同固含量的石墨烯浆料封装的锌负极片作为负极，采用相同的正极及锌镍电池组装方法获得锌镍电池，并进行电化学测试，结果见表1：
表1
由表1可知，随着石墨烯浆料和无水乙醇的质量比逐渐降低，采用石墨烯浆料封装的锌负极组装成的锌镍电池的性能逐渐提高。当石墨烯浆料和无水乙醇的质量比在1：5～1：7之间时，封装锌负极组装成的锌镍电池性能最优，无水乙醇用量减少时，性能随即下降。这是因为石墨烯浆料与无水乙醇的质量比高时，锌负极表面覆盖的石墨烯层较厚，较厚的石墨烯层阻碍了电解液和氧化锌接触，同时也阻碍了离子的迁移，导致组装的锌镍电池循环性能差，例如石墨烯浆料和无水乙醇的质量比1：1时，锌镍电池的循环寿命仅有137次，能量密度为144Wh Kg-1；当增加无水乙醇用量，石墨烯浆料和无水乙醇的质量比1：9时，锌镍电池的循环寿命仅有2342次，能量密度为152Wh Kg-1，这是由于导电浆料中含有的石墨烯较少，不能在电极表面形成完整的覆盖层，锌负极极片表面枝晶生长多，容易戳破隔膜，导致正负极接触短路，缩短循环寿命。
为了显示本发明负极封装方法的优越性，在制备的锌负极表面不封装石墨烯导电浆料，锌负极极片的制备同实施例1，并与实施例1相同的镍正极片组装成锌镍电池，测试其能量密度和循环稳定性，结果显示其最高能量密度为162Wh·Kg-1，循环寿命仅有1030次，能量密度为141Wh·Kg-1，已不能满足锌镍电池使用需求。
对比例2～4：含有不同导电剂的导电浆料对封装后锌负极制成的锌镍电池的电性能的影响。
作为对比，分别使用含碳纳米管、碳纳米纤维、导电炭黑的导电浆料作为封装剂，封装后的锌电极作为负极，采用与实施例1相同的正极及电池组装方法获得锌镍电池，对其进行电性能测试，结果见表2。
表2
由表2可知，导电浆料导电剂为碳纳米管、碳纳米纤维和导电炭黑的电性能显示较弱，碳纳米管和碳纳米纤维的结构都为线状，在锌负极表面不能均匀地坪铺一层，即使分散均匀，但单个碳纳米管或碳纳米纤维之间仍存在缝隙，不能覆盖锌负极表面的活性物质；导电炭黑结构为粒子状，同样不能全面覆盖锌负极表面，导电炭黑使用量增多时，在锌负极表面容易形成堆叠，致使电解液与活性物质不能充分接触，影响电池性能。本发明采用的石墨烯导电浆料，石墨烯的片状结构，可在锌负极表面平铺一层，覆着在活性物质氧化锌的表面，致密片状附着力强，锌负极极片表面平整，在进行充放电时电流均匀，有利于锌离子在电极片表面均匀地溶解沉降。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于，所述锌镍电池负极片的活性材料为氧化锌，所述封装包括以下步骤：
（1）将高浓度导电浆料与溶剂按比例混合获得不同浓度的导电浆料溶液；
（2）将步骤（1）制得的导电浆料溶液充分混匀，再将锌镍电池负极片浸入导电浆料溶液中；
（3）电极片表面固化，将步骤（2）得到的负极片进行干燥、压片，得到封装锌负极片。
2.根据权利要求1所述的一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于：步骤1中所述的导电浆料中导电剂为石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管或者导电炭黑中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于：步骤1中所述导电浆料与溶剂的质量比为1：（1~9）。
4.根据权利要求1所述的一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于：步骤1中所述溶剂为乙醇。
5.根据权利要求1所述的一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于：步骤3中所述的干燥在室温下进行，干燥至封装锌负极片表面固化。
6.根据权利要求1所述的一种锌镍电池负极片封装方法，其特征在于：步骤3中所述压片的施加压力为10 MPa。
7.一种封装锌负极片的应用，所述封装锌负极片由权利要求1的方法进行封装，其特征在于：将制得的封装锌负极片和镍正极片组装成锌镍电池，磺化膜为隔膜，电解液为6 MKOH+1 M LiOH+饱和ZnO的PAAS凝胶状溶液。
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