[實(shí)用新型]一種可充電鋅空液流單電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201821674516.4
• 申請(qǐng)日: 2018-10-16
• 公開（公告）號(hào): CN209515870U
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳忠偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州沃泰豐能電池科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/18
• 分類號(hào): H01M8/18;H01M8/04276;H01M4/86;H01M4/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本實(shí)用新型提供了一種可充電鋅空液流單電池，采用雙功能催化劑，設(shè)計(jì)了一種雙電極鋅空液流電池，單電池由電池外殼、進(jìn)氣空腔、空氣陰極、金屬陽極、電解液層和導(dǎo)電集流片組成，電池僅使用一種電解液，在一個(gè)電解液空腔內(nèi)隨即完成電池的充放電反應(yīng)。通過對(duì)液流系統(tǒng)和金屬電極的改進(jìn)，防止了鋅晶枝的形成，并且通過對(duì)空氣陰極的改進(jìn)，使空氣陰極能夠在正常參與反應(yīng)的同時(shí)而不出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，大大提高的電池的安全性和可商業(yè)化性。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及金屬空氣電池領(lǐng)域，特別涉及一種可充電鋅空液流單電池。

背景技術(shù)

在當(dāng)今能源領(lǐng)域，開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源越來越受到人們的關(guān)注，為了實(shí)現(xiàn)供電的穩(wěn)定性，需要開發(fā)高效的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。二次電池作為一種重要的儲(chǔ)能技術(shù)，得到了研究開發(fā),并逐步被推向市場。其中，一種氧化還原液流電池由于具有容量大、可以深度放電、循環(huán)壽命長等技術(shù)特點(diǎn)，在大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能方面顯示出特殊優(yōu)勢(shì)。這類電池中全釩液流電池成為開發(fā)熱點(diǎn),正在進(jìn)入市場。但是,全釩液流電池理論電壓較低(1.26V)，難以獲得較高的能量密度和功率密度。

可再充電鋅空氣電池由于許多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有希望的技術(shù)之一。例如，鋅空氣電池采用源自大氣的空氣中的氧氣，無需花費(fèi)且取之不盡的，消除了在電池內(nèi)儲(chǔ)存燃料源的需要。此外，在鋅-空氣電池中所采用的催化劑，在實(shí)際的電化學(xué)反應(yīng)中沒有被消耗，理論上可能在無限期間發(fā)揮作用。此外，鋅-空氣電池采用地殼中儲(chǔ)量豐富且分布廣泛的金屬鋅作為活性材料，因此，鋅-空氣電池是一種使用成本低、安全且環(huán)境友好的儲(chǔ)能設(shè)備。

目前，鋅空氣一次電池己經(jīng)大量生產(chǎn)，被廣泛用作助聽器等的電源。在鋅空氣電池中，使用氫氧化鉀等堿性水溶液作為電解液，為了防止正負(fù)極間的短路，使用了隔板(隔壁)。在傳統(tǒng)的鋅空電池中,如以下的反應(yīng)式所示，

陰極：

陽極：

放電時(shí)在空氣電極(正極)側(cè)O₂被還原而生成OH-，同時(shí)，在負(fù)極鋅被氧化而生成氧化鋅。因此在金屬空氣蓄電池/燃料電池中金屬的消耗是不可避免的，為了長期運(yùn)行需要持續(xù)補(bǔ)充金屬。

針對(duì)可再充電鋅-空氣電池的商業(yè)化，目前存在兩個(gè)主要的技術(shù)問題：

第一個(gè)問題是容納在陰極內(nèi)的碳的腐蝕，其發(fā)生在電池的充電階段。在傳統(tǒng)的可充電鋅空氣電池中，充電和放電循環(huán)采用相同的陰極，該陰極包括負(fù)載所需的催化劑的多孔碳材料。陰極在電池的充放電過程中，發(fā)生析氧反應(yīng)(OER) 和氧還原反應(yīng)(ORR)，在此過程中會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，其中碳在OER期間被腐蝕，碳被氧化為CO₂。一旦碳載體氧化并消耗，在碳上負(fù)載的催化劑失去和電極的接觸，使得催化劑無效，造成了電池性能的下降。近期，美國專利US9590253 提供了一種用于空氣蓄電池和燃料電池的雙功能催化劑，該雙功能催化劑對(duì)于氧還原反應(yīng)和氧析出反應(yīng)都具有催化活性的催化劑雙功能核殼結(jié)構(gòu)的催化劑，具有很好的應(yīng)用前景。

第二個(gè)問題是在陽極發(fā)生的電極形變和鋅枝晶的形成。在傳統(tǒng)的可再充電鋅-空氣電池中，在放電階段，陽極的金屬鋅被氧化為鋅離子并移動(dòng)到電解液中。然后，由于鋅離子在堿性電解液中的差的溶解性，幾乎在同時(shí)，這些離子被沉積為氧化鋅粒子。在充電階段，氧化鋅粒子轉(zhuǎn)變成鋅粒子。這些鋅粒子可由于重力在長期循環(huán)中向下移動(dòng)，而這會(huì)導(dǎo)致陽極形狀的變化。鋅粒子也可以在陽極上形成鋅枝晶。陽極的形狀的變化可導(dǎo)致能量衰減，而鋅枝晶會(huì)導(dǎo)致電池的突然失效。

鋅空電池采用源自大氣的空氣中的氧氣，無需花費(fèi)且取之不盡，消除了電池內(nèi)存儲(chǔ)燃料源的需要。此外，在鋅空電池中采用催化劑在實(shí)際的充放電電化學(xué)反應(yīng)過程中沒有被消耗，這使其在理論上可能在無限期發(fā)揮作用。中國專利 CN201680000396提供一種高循環(huán)壽命的可再充電的三電極單液流鋅空氣電池。該電極結(jié)構(gòu)由一個(gè)陽極和兩個(gè)陰極(一個(gè)用于充電而另一個(gè)用于放電)組成，一種陰極用于充電的目的，另一種用于放電的目的。采用兩種不同功能的陰極可以解決陰極碳腐蝕的問題和催化劑的損失問題。使電池更具有長期的運(yùn)行壽命。