CN215220772U - 一种设有电解液流动分配部件的锌负极和锌空气二次电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种设有电解液流动分配部件的锌负极和锌空气二次电池。包括具有电流采集功能的锌板(120)，所述锌板(120)的一面设有电解液流动分配部件(110)，所述电解液流动分配部件(110)包括多个导流柱(111)和边框(112)，所述的导流柱(111)设于边框(112)内，所述边框(112)的对角上分别设有电解液入口(113)和位置高于电解液入口(113)的电解液出口(114)。本实用新型的电解液流动分配部件改变了电解液在锌板表面的流动模式，使枝晶不容易在锌电极表面聚集，同时不会造成电池内阻的增加；从而有效提高电池的稳定性和利用率。

Description

一种设有电解液流动分配部件的锌负极和锌空气二次电池

技术领域

本实用新型涉及一种设有电解液流动分配部件的锌负极和锌空气二次电池，属于新能源储能技术领域。

背景技术

锌空气电池是一种利用金属锌和空气中氧气进行电化学反应从而达到储能效果的电池技术。锌空气电池作为一次电池(不可充电)在市场上已得到广泛应用，而且技术相对成熟。其无噪音、体积小、能量密度高等特点使锌空气电池广泛应用于助听器、摄像机等各类静音小型电子器件中。通常锌空气电池是由正极、负极、电解液、隔膜材料以及外包材料构成。电池的正极为空气电极，直接暴露于空气中。电池的负极为金属锌，浸泡在电解液中。电解液通常为碱性溶液，其作用在于提供-OH^-(氢氧根离子)。反应式如下：

正极：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

负极：2Zn+4OH^-→2ZnO+2H2O+4e^-

锌空气二次电池(可充放电)的结构与锌空气一次电池类似。但由于可对其进行充放电操作，锌空气二次电池可被用于储能领域，如间歇式电源、分布式电源、可再生能源发电等。锌空气二次电池放电过程与一次电池类似，负极由金属锌变成锌离子，正极由氧气变成氢氧根离子。在充电过程中，正极氢氧根离子变成氧气析出，负极由锌离子变成锌吸附在金属表面。

在充电过程中，锌很难以理想状态均匀的吸附在负极表面，而是以晶体的形式在金属表面生长，这种现象称为枝晶。枝晶的形成可以造成诸多电池失效的情况。例如晶体可能生长至电池正极，造成电池内部的短路或破坏电池内部隔膜结构等，这些情况对于电池都是不可逆的损伤。

为解决枝晶生长至正极导致短路的问题，可使用各类隔膜材料、包覆材料等，阻断枝晶向正极生长通道。例如专利文献CN101325255中，公开了一种锌负极的制备方式，为阻止锌枝晶的生成，在锌负极表面形成二氧化硅层，有效抑制了放电过程中放电产物在强碱溶液中的溶解性，避免放电产物迁移，从而抑制负极锌板枝晶化变形。另外，专利文献CN107078258和US 9,692,026中，公开了一种陶瓷隔膜结构，此隔膜可以传导氢氧根离子，放置在锌空电池正极和负极之间，在尽量不降低离子传导率的情况下，使用物理方法阻隔枝晶通往正极的通路。上述方法虽然可以从物理上阻隔枝晶生长的方向，但是隔膜、包覆材料的添加都不可避免的增加了电池的内阻，这将导致电池充放电效率的下降。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是：现有技术中通过添加隔膜、包覆材料以抑制锌负极枝晶的生长，但是会导致电池内阻的增加，而进一步导致电池充放电效率的降低。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种设有电解液流动分配部件的锌负极，包括具有电流采集功能的锌板(120)，所述锌板(120)的一面设有电解液流动分配部件(110)，所述电解液流动分配部件(110)包括多个导流柱(111) 和边框(112)，所述的导流柱(111)设于边框(112)内，所述边框(112)的对角上分贝设有电解液入口(113)和位置高于电解液入口(113)的电解液出口 (114)。

优选地，所述的导流柱(111)设为平行且间隔分布于边框(112)内。

优选地，所述的导流柱(111)的两端均与边框(112)连通，所述的导流柱 (111)面向锌板(120)的一面设为同轴的弧形柱面且所述弧形柱面与锌板(120) 之间设有狭缝。

优选地，所述的导流柱(111)仅有一端与边框(112)连接且相邻导流柱(111) 与边框(112)连接的端部为不同方向的端部。

优选地，所述锌板(120)相对于电解液流动分配部件(110)的另一面设有具有密封结构的端板(130)。

本实用新型还提供了一种锌空气二次电池，包括上述方案中的锌负极(100)、空气正极(200)和电解液(300)，所述空气正极(200)与锌负极(100)中的电解液流动分配部件(110)连接，所述电解液(300)循环流动于电解液流动分配部件(110)中。

优选地，所述空气正极(200)为一侧附有催化剂的金属网。

优选地，所述金属网设有催化剂的一侧与电解液流动分配部件(110)连接，另一侧设有端板。

本实用新型的设计原理：由于在测试电池的过程中发现如果电池的电解液为静态的，电池在放电时容易出现电解液在锌电极表面分布不均匀的情况，从而进一步导致枝晶生成，而且锌电极容易腐蚀变形。如果在电解液流动的状态下，上述情况可以得到很大的改善，而且还发现枝晶容易沿流体流动方向(通常自下而上)生长。因此，通过设计一种电解液流动分配部件，改变锌电极表面的电解液流动特性，使枝晶不容易在锌电极表面聚集，流动特性的改变，一方面指电解液流动方向的改变，另一方面指电解液流速的改变。

本实用新型的一种电解液流动分配部件优选为栅条式格栅结构(简称格栅结构)，首先，此结构可以让电解液以一定的形式流动起来，使电池放电更加稳定。其次，此结构可以使电解液不是以单一的方向或流速在电极表面流过，从而达到电解液在电极表面均匀分布抑制枝晶的生长，同时不会造成电池内阻的增加。本实用新型的电解液流动分配部件包括边框及内部电解液导流柱。此格栅的边框可通过密封圈、胶，或其他结构件密封在电池负极的端板上，也可以直接密封在电池负极的锌板上。除此之外，也可以设计其他结构来改变电解液的流动分配模式，例如可以在边框内设置交叉式导流柱或者其他任何分布形式的导流柱。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型通过设计一种格栅结构的电解液流动分配部件，改变锌空气二次电池的电解液流动特性，包括电解液流动方向的改变和电解液流速的改变，使枝晶不容易在锌电极表面聚集，同时不会造成电池内阻的增加；

2.本实用新型通过在电解液流动分配部件的边框上设置电解液进出口，有助于电池整体密封设计，优化了电解液流道，普遍适应于锌空气二次电池。

附图说明

图1为本实用新型的一种锌空气二次电池的结构示意图；

图2为本实用新型的一种设有电解液流动分配部件的锌负极的结构示意图；

图3为实施例1的电解液流动分配部件的三向图；

图4为实施例1的电解液流动分配部件的纵剖面图，其中，锌空气二次电池处于竖直摆放状态；

图5为实施例1的电解液流动分配部件的横剖面图，其中，锌空气二次电池处于竖直摆放状态；

图6为实施例2的电解液流动分配部件的纵剖面图，其中，锌空气二次电池处于竖直摆放状态；

图7a为电解液为静态的锌空气二次电池的循环充放电性能曲线图，图7b 为实施例1的锌空气二次电池的循环充放电性能曲线图；

附图标记：100.锌负极；200.空气正极；300电解液；110.电解液流动分配部件；120.锌板；130.端板；导流柱.111；边框.112；电解液入口113；电解液出口 114。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种锌空气二次电池，如图1所示，包括锌负极100、空气正极200以及电解液300。锌负极100为设有电解液流动分配部件的锌板，空气正极200为设有催化剂的金属网，金属网充当集流体的作用，电解液300可以是氢氧化钠或氢氧化钾，提供氢氧根离子参与电池反应。另外，在电池结构中，正负极两侧还通常设有端板。锌负极100的具体结构如图2所示，包括带电流采集功能的锌板120，锌板120的一面设有电解液流动分配部件110，所述电解液流动分配部件110为具有边框和导流柱的栅条式格栅结构，锌板120的另一面设有具有密封结构的端板130。

电解液流动分配部件110的具体结构如图3所示，包括导流柱111和边框 112，导流柱111的两端均与边框112相连，边框112上设有电解液入口113和电解液出口114，电解液入口113和电解液出口114设于边框112的对角上；导流柱111面向锌板120的一面设为柱面，所述柱形的切面与锌板120之间设有0.5mm的间距，所述间距使导流柱111与锌板120之间形成可供电解液通过的狭缝。此格栅结构的边框112、电解液入口113和电解液出口114均可设置密封构件，用以保持电池系统的密封性。

当电池系统竖直摆放时，电解液进口113位于电解液出口114的下方，有助于电解液充满此电解液流动分配部件110的格栅空隙间，同时电解液300可以在锌板120表面增加横向流动。在电池进行充放电时，电解液300从边框112的电解液入口113进入格栅结构并从电解液出口114流出。整个电解液流动分配部件保持被电解液充满状态。电解液300在电解液流动分配部件110中的流动方式如图4、图5所示。由于导流柱111的两端均与边框112连接，电解液在格栅的空隙间的流动方向均为从下至上，如图4中的箭头所示；且由于导流柱111面向锌板120的一面为柱面且所述柱面与锌板之间设有狭缝，因此电解液300将不断从狭缝中通过形成流速较高的横向流动模式，从而使锌板120表面增加了横向流动，如图5中的箭头所示。放电时，负极的锌由金属锌氧化为锌离子，进入电解液循环中。充电时，电解液中的锌离子在负极被重新还原成金属锌。由于流动模式的改变，此充电过程可以有效抑制枝晶的生成。

实施例2

本实施例的锌空气二次电池的结构与实施例1相同，不同的是，此实施例的电解液流动分配部件110中，导流柱111与锌板120紧靠，导流柱111仅有一端与边框112连接且相邻导流柱与边框112连接的端位错开，因此电解液300在锌板120表面流动时具有一个蛇形流动通道，电解液300在流经锌板120表面时流动方向将不断改变，如图6中的箭头所示。

电池系统竖直摆放，在电池进行充放电时，电解液300从边框的入口113进入电解液流动分配部件110并充满格栅结构的空隙间，之后从电解液出口114流出，且电解液300在流经锌板120表面表面时流动方向不断改变。此电解液流动分配部件110能够改变电解液流动模式，从而有效分配氢氧根离子，抑制枝晶的生成。

性能测试：

以电解液为静态的锌空气二次电池(负极采用不设电解液流动分配部件的锌板)作对比，测试实施例1的锌空气二次电池的充放电循环性能。测试结果如图 7a、图7b所示，图7a为电解液在静态下的锌空气二次电池的充放电循环曲线，其中阴影部分上沿为电池的充电电压，阴影部分的下沿为电池的放电电压，由图 7a可知，充放电时充电电压不稳定，放电电压衰减明显；图7b为实施例1的锌空气二次电池的充放电循环曲线，充放电时充电电压稳定在2V左右，放电电压衰减不明显，而且在8000次循环中能量效率保持在50％以上，说明本实用新型的设有电解液流动分配部件的锌负极能有效防止枝晶的生长，从而有效提高电池的稳定性和利用率。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种设有电解液流动分配部件的锌负极，其特征在于，包括具有电流采集功能的锌板(120)，所述锌板(120)的一面设有电解液流动分配部件(110)，所述电解液流动分配部件(110)包括多个导流柱(111)和边框(112)，所述的导流柱(111)设于边框(112)内，所述边框(112)的对角上分别设有电解液入口(113)和位置高于电解液入口(113)的电解液出口(114)。

2.如权利要求1所述的设有电解液流动分配部件的锌负极，其特征在于，所述的导流柱(111)设为平行且间隔分布于边框(112)内。

3.如权利要求2所述的设有电解液流动分配部件的锌负极，其特征在于，所述导流柱(111)的两端均与边框(112)连通，导流柱(111)面向锌板(120)的一面设为同轴的弧形柱面且所述弧形柱面与锌板(120)之间设有狭缝。

4.如权利要求2所述的设有电解液流动分配部件的锌负极，其特征在于，所述的导流柱(111)仅有一端与边框(112)连接且相邻导流柱(111)与边框(112)连接的端部为不同方向的端部。

5.如权利要求1所述的设有电解液流动分配部件的锌负极，其特征在于，所述锌板(120)相对于电解液流动分配部件(110)的另一面设有具有密封结构的端板(130)。

6.一种锌空气二次电池，其特征在于，包括权利要求1～5中任意一项所述的锌负极(100)、空气正极(200)和电解液(300)，所述空气正极(200)与锌负极(100)中的电解液流动分配部件(110)连接，所述电解液(300)循环流动于电解液流动分配部件(110)中。

7.如权利要求6所述的锌空气二次电池，其特征在于，所述空气正极(200)为一侧附有催化剂的金属网。

8.如权利要求7所述的锌空气二次电池，所述金属网设有催化剂的一侧与电解液流动分配部件(110)连接，另一侧设有端板。

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