[發明專利]一種避免鋅枝晶短路的結構、制備和含有該結構的電池

有效

• 申請號: 202010190817.5
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111463502B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 劉孝偉;陳經寧;馬永泉;徐偉良;柯娃
• 申請（專利權）人: 山東合泰新能源有限公司
• 主分類號: H01M10/28
• 分類號: H01M10/28;H01M50/417;H01M10/30
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 李迎春

一種避免鋅枝晶短路的結構、制備和含有該結構的電池，包括由至少一個單元極群組；每個單元極群組均包括鋅負極片、正極片、隔離膜，吸液隔膜；所述的隔離膜包括第一隔離膜和第二隔離膜，所述的吸液隔膜包括第一吸液隔膜和第二吸液隔膜；所述的第一吸液隔膜、鋅負極片、第一隔離膜、第二吸液隔膜、正極片和第二隔離膜順次疊合構成單元極群組；所述的鋅負極片上設置有若干通孔，所述的第一隔離膜上也設置有若干通孔，且疊合后所述的鋅負極片上設置的若干通孔與第一隔離膜上設置的若干通孔的圓心重疊，且鋅負極片上設置的若干通孔的孔徑大于第一隔離膜上設置的若干通孔的孔徑。具有通過物理方法，防止短路的優點。

技術領域

本申請涉及堿性電池技術領域，具體的涉及一種避免堿性電池中鋅枝晶短路的結構、制備和含有該結構的電池。

背景技術

目前，電動汽車發展取得了很大進展。由于鋰離子電池具有較高的比能量、較長的循環壽命，無重金屬污染等優點，電動汽車普遍采用鋰離子電池，而鋰離子電池是采用有機溶劑作為電解液，容易出現燃燒爆炸的危險。安全問題一直困擾著新能源電動汽車的發展。尋找一種不燃燒且比能量高的蓄電池，對電動汽車具有非常重大的意義。

堿性電池一般采用堿液作為電解液，是一種水系電解液，不燃燒不爆炸，具有熱容量大的特點，安全性能極高。

由于鋅鎳電池，正極沿用鎳氫電池的正極，工藝比較成熟，性能也較穩定，而負極采用鋅和氧化鋅制備活性物質。鋅電極在堿性溶液中具有很強的電化學活性，這使其在具備高速充放電能力的同時，同樣具有熱力學性質不穩定，且放電產物鋅酸鹽在強堿性的電解液中具有很高的溶解度，因此電極往往容易出現極片變形、枝晶的生長的現象，從而導致電極逐漸失效。尤其是枝晶問題，是一道百年難題，阻礙了鋅鎳電池的發展。

目前的改善方案為：在電極中引入銦鹽或銦的氧化物、以及稀土氧化物，引入鋅酸鈣等；在電解液中引入緩蝕劑、絡合劑；采用防枝晶隔膜包覆電極等。但是，收到的效果不佳，很多細節問題，導致了鋅枝晶的偶然發生，導致電池一致性不良、循環壽命不佳、可靠性大打折扣。圖1是對鋅枝晶的掃描電鏡SEM圖，圖2是常規電極鋰枝晶生長的示意圖，從圖中信息表明鋅枝晶是從負極片基面向著遠離負極片基面定向生長的。為了對付枝晶，清華大學深圳研究生院的楊誠研究團隊設計了一種“蛇籠”狀陣列結構，如圖3所示，通過扭曲微觀電場分布以誘導鋰枝晶沿水平方向(平行隔膜方向)的陣列生長，大幅度提高了鋰金屬電池的安全性能。這種采用“籠子”的方法，解決了枝晶生長的方向和高度(設定在電場范圍內)，但是，制作“籠子”工程巨大，很難實現低成本工業化應用。

康奈爾大學Lynden Archer課題組聯合石溪大學、美國國家標準與技術研究所的研究者在Science雜志上發表論文，開發出一種從源頭上抑制鋅枝晶生長的“外延電沉積”策略。他們先在不銹鋼電極表面沉積石墨烯，使其外延匹配金屬鋅的基底(002)面，從而使晶格應變最小；此后再在石墨烯外延基底上電沉積金屬鋅，鋅的結晶取向就優先平行于電極，形成板狀堆積結構，而非枝晶，如圖4所示。如此制備的金屬鋅電極在循環過程中，鋅也以板狀“趴著”析出，而不會以枝晶的形式“站著”鬧事。實驗結果表明，使用這種金屬鋅負極的電池在數千次循環后仍然表現出極好的可逆性能。上述方法在石墨烯外延基底上電沉積金屬鋅，鋅的結晶取向就優先平行于電極，形成板狀堆積結構，避免形成枝晶。但是這種方法，需要采用不銹鋼表面外延生長石墨烯，并外延生長鋅，再用沉積鋅作為電極，成本也非常高，工業化實現不容易實現。

鋅枝晶生長一般是從鋅負極片平面，向著遠離負極片基面生長的，特別是向著正極片基面方向生長。枝晶生長與充電電流密度、電流分布、電解液中的鋅離子濃度、溫度、電極表面平整度、活性物質混合均勻性、雜質含量、電場作用、電極邊緣位置等有關。在充電過程中，溶解在溶液中的鋅離子，在鋅負極某些活性點首先產生鋅沉積，并且由于鋅導電能力強，促使該結晶點更容易得到電子，而繼續在這些電位上優先沉積結晶，逐漸形成凸點，這些凸點發生“尖峰效應”，枝晶逐漸生長，直至穿透隔膜，到達正極發生短路。

發明內容