一種水平式三電極電化學(xué)可充的鋅空氣電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電化學(xué)電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水平式三電極電化學(xué)可充的鋅空 氣電池。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋅空氣電池（Metal-Air Battery)是進(jìn)行電能高效轉(zhuǎn)換和大規(guī)模儲存的重要技術(shù) 方向之一。該電池利用空氣中的氧氣作為正極電化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)，金屬鋅作為負(fù)極電化 學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)。在電池運(yùn)行過程中金屬電極發(fā)生溶解或沉積，放電產(chǎn)物溶解在堿性電解 液中；利用空氣中的氧氣在空氣電極上進(jìn)行氧還原（ORR)或氧析出（OER)電化學(xué)反應(yīng)，完成 電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換。鋅空氣電池的單電池理論電壓為1.65V，多個單電池串聯(lián)后可提 供所需的功率。在電池充電/放電過程中，鋅空氣電池的電極上發(fā)生如下所示的可逆電化 學(xué)反應(yīng)。
[0003] 負(fù)極反應(yīng)
[0007] 由于正極以空氣中的氧氣作為電化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)，電池容量僅僅取決于負(fù)極金 屬電極，具有安全性好、比能量高、成本低的優(yōu)勢。目前，在人們研究發(fā)展的幾種金屬負(fù)極 中，包括鋰、鋅、鋁、鎂等，只有鋅電極在堿性水溶液環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性和可接受的 反應(yīng)動力學(xué)特性，一次性的鋅-空氣電池成為唯一實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的金屬/空氣電池品種， 主要在助聽器中以紐扣電池形式應(yīng)用。發(fā)展高效二次電化學(xué)可充的鋅空氣電池，它和太陽 能發(fā)電共同組成戶用能源系統(tǒng)，以及作為新型電動車用動力電池十分重要。
[0008] 電化學(xué)可充的二次鋅空氣電池鋅電極在放電時發(fā)生反應(yīng)而溶解，但是在充電時， 電解液中的二價鋅Zn( II )不是沉積到原先溶解的位置，而會在重力作用下優(yōu)先沉積到集 流體的下方位置，多次循環(huán)以后鋅電極會發(fā)生形變且在集流體下方形成明顯的鋅枝晶，鋅 枝晶既可能導(dǎo)致電池正負(fù)極短路使電池失效，也會跌落造成電池容量衰減。
[0009] 目前報道的電化學(xué)可充的二次鋅空氣電池多為兩電極模式，空氣電極內(nèi)需要含有 雙功能催化劑，該催化劑既要保證充電時催化氧析出反應(yīng)，又要滿足放電時催化氧還原反 應(yīng)。在電池充電時，空氣電極上產(chǎn)生的新生態(tài)活性氧，具有很高的氧化活性，往往會與氧還 原反應(yīng)的催化劑，以及其它電極材料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電極性能劣化。與此同時，新生態(tài)活性 氧結(jié)合為氧分子后從電解液中溢出，體積發(fā)生顯著變化，往往使空氣電極結(jié)構(gòu)變得疏松，顯 著降低空氣電極性能，從而導(dǎo)致電池壽命衰減。采用具有雙催化功能的空氣電極，需要空氣 電極同時具備催化氧析出反應(yīng)和氧還原反應(yīng)能力，以及同時具有完成氧氣體擴(kuò)散和電解液 連通的通道，還需要防止電解液滲漏，在技術(shù)和工藝上變得十分困難，嚴(yán)重阻礙了鋅空氣電 池技術(shù)發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明旨在克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種水平式三電極電化學(xué)可充的鋅空 氣電池，該種結(jié)構(gòu)的電池可消除由于重力作用給電池帶來的負(fù)面影響，抑制鋅電極變形和 枝晶生長；同時該電池為三電極電池體系，使氧析出反應(yīng)和氧還原反應(yīng)分別在氧析出電極 和氧還原電極上進(jìn)行，避免了充電時產(chǎn)生的氧氣對空氣電極的破壞，延長了空氣電極的壽 命，從而延長了電池的壽命；三電極體系把電池的催化氧析出反應(yīng)的功能和催化氧還原反 應(yīng)的功能分開設(shè)計，極大簡化了空氣電極的結(jié)構(gòu)。
[0011] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0012] 本發(fā)明的一種水平式三電極電化學(xué)可充的鋅空氣電池，該電池包括氧析出（OER) 電極、鋅電極和電池組件，其特征在于，還包括氧還原（ORR)電極，所述氧析出電極、鋅電極 和氧還原電極均水平安裝，并用電池組件組裝在一起，充電時鋅電極和氧析出電極組成工 作回路，放電時鋅電極和氧還原電極組成工作回路；所述氧析出電極具有催化氧析出反應(yīng) 的能力，在電池充電時所述電極上發(fā)生氧析出反應(yīng)；所述氧還原電極具有催化氧還原反應(yīng) 的能力，在電池放電時所述電極上發(fā)生氧還原反應(yīng)。
[0013] 所述氧析出電極、鋅電極、氧還原電極彼此平行，并且均平行于水平面安裝，從上 到下依次安裝順序為氧析出電極、鋅電極和氧還原電極；氧析出電極和氧還原電極間為電 解液腔室，電解液在鋅電極、氧析出電極、氧還原電極之間貫通；氧析出電極和氧還原電極 的一側(cè)與電解液接觸，氧析出電極和氧還原電極的另外一側(cè)與空氣接觸。
[0014] 所述氧析出電極、鋅電極、氧還原電極彼此平行，并且均平行于水平面安裝，所述 氧析出電極和氧還原電極位于鋅電極的同一側(cè)。
[0015] 所述電池組件包括上端板、墊圈、電極模塊和下端板；上端板和下端板均包含螺釘 孔和氣體擴(kuò)散窗；所述電極模塊包括氧析出電極槽、鋅電極槽和鋅電極引出線孔；氧析出 電極槽用于放置氧析出電極且其槽深不小于氧析出電極的厚度；鋅電極槽用于放置鋅電極 且其槽深不小于鋅電極的厚度。上端板與電極模塊之間、氧還原電極與電極模塊之間以及 氧還原電極與下端板之間直接接觸密封或通過墊圈密封。
[0016] 充電時，氧析出電極浸入電解液中，并且浸入電解液中深度為至少下表面與電解 液接觸。
[0017] 本發(fā)明的技術(shù)特點及有益效果：
[0018] 本發(fā)明為了延長電化學(xué)可充的鋅空氣電池的使用壽命，使充電時的氧析出反應(yīng)和 放電時的氧還原反應(yīng)分別在兩個電極上進(jìn)行，構(gòu)成具有氧析出電極、鋅電極、氧還原電極的 三電極電池體系。在電池充電時，消除了氧析出反應(yīng)產(chǎn)生的原子態(tài)氧對還原反應(yīng)的催化劑 和其它電極材料腐蝕問題；同時，不再使用雙功能催化劑，在一個電極上僅使用單一功能的 催化劑就能夠滿足需求。分別使用氧析出電極和鋅電極構(gòu)成充電回路，氧還原電極和鋅電 極構(gòu)成放電回路。該技術(shù)方案大幅度提高氧析出電極和氧還原電極的使用壽命，降低空氣 電極的制備難度，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)條件。
[0019] 本發(fā)明為了克服所述問題給鋅空氣電池使用帶來的不利影響，采用水平安裝電極 的技術(shù)措施，使氧析出電極、鋅電極、氧還原電極彼此平行排列，并且均平行于水平面安裝。 在電池充電時，氧析出電極和鋅電極之間形成均勻電場，其電力線垂直于氧析出電極或者 鋅電極的表面。當(dāng)電極平行于水平面安裝時，該電力線垂直于水平面，與地球重力場方向平 行。因此，當(dāng)電解液中的鋅離子在鋅電極上發(fā)生還原反應(yīng)時，一方面鋅離子在電場力作用 下，沿著電力線方向往鋅電極表面迀移，得到電子后沉積為固體鋅顆粒；與此同時，固體鋅 顆粒在重力場作用下，在鋅電極表面均勻堆積，彼此間通過金屬鍵緊密連接。完全避免垂直 安裝電極時產(chǎn)生的下述問題：固體鋅顆粒在重力場作用下在鋅電極底部堆積，該堆積物使 鋅電極和氧析出電極連通，從而發(fā)生短路電池?zé)o法正常工作。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述電池裝置的電極彼此平行并且水平安裝，有利于電 池的密封，同時消除了充放電過程的重力效應(yīng)，抑制了充電過程中鋅枝晶的產(chǎn)生和鋅電極 變形，提高電