[发明专利]锌负极和包括该负极的二次锌镍电池及它们的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种二次锌镍电池的锌负极和使用该锌负极的二次锌镍电池，以及它们的制备方法。

背景技术

二次锌镍电池在充电末期和过充电时，从镍正极不断析出的氧气，一部分在负极与金属锌反应而被吸收，另一部分则通过在负极表面发生的电化学还原反应而被吸收。氧气被吸收的过程叫做氧气的复合。二次锌镍电池中锌负极复合氧气的能力较差，使得充电过程末期和过充电时，特别是充电电流较大的情形下，镍电极产生的氧气不能在锌负极上被顺利地复合。当正极产生的氧气的速率大于负极吸收氧气的速率时，由于氧气的积累，电池内部的压力会逐渐增大，当压力增大到使电池安全阀开启时，内部气体泄漏，并且，电解液会伴随着一起泄漏。

为了降低电池的内压，一是提高充电时氧气在镍电极上的析出过电位，减少正极过充电时氧气的析出。二是强化锌负极对氧气的复合，减少氧气在电池内部的积累。

但是，为了防止在充电过程中锌电极产生的树枝状晶体刺穿电极隔离物而导致的电池短路，研究者倾向于使用能阻挡锌枝晶穿透的隔膜作为电极隔离物，例如聚乙烯辐射接枝膜、玻璃纸、亲水聚丙烯半透膜等。但是这种电极隔离物虽然能够阻挡锌枝晶，但是透气率很差，因此，镍正极产生的氧气无法透过隔膜顺利地被锌负极吸收。氧气的扩散，并不完全由正极通过电极隔离物到达负极，一部分氧气可以直接到达裸露在电池内部空间中的锌负极表面。因此，如果能够使电池内部空间中负极裸露的面积增大，则可以加快锌负极对氧气的吸收。

目前，为了改善氧气在锌负极上的复合，广泛采用的是隔离负电极叠合设计，例如美国专利USP5460899所述：在隔离负电极叠合设计中，一种憎水的气体扩散膜用来分隔两片锌半电极板，在由两片锌半电极板及中间的气体扩散膜组成的一个完整的锌负极中，正极充电过程中产生的氧气能够通过憎水的气体扩散膜到达锌半电极的内侧，在锌负极上复合。由于该气体扩散膜为憎水透气膜，因此，不会被电解液浸湿，使氧气可以通过透气膜与锌半电极之间的缝隙而被锌负极吸收。

但是，这种方法弊端不少。首先，憎水透气膜价格昂贵，增加了电池的成本。其次，制造一个完整的锌负极极板的工序烦琐，增加了人工成本。第三，所述锌半电极的负极活性物质只存在于冲孔铜带的一侧，而憎水透气膜是贴到冲孔半电极没有负极活性物质的铜带的一侧，憎水透气膜的另一面与另一半电极的冲孔铜带接触，并与另一半电极叠合。当氧气通过憎水透气膜后，只能从面积占电极面积一半的填有负极活性物质的铜带的冲孔中进入电极内部，其余部分为氧气无法透过的铜带，复合氧气的电极面积有限。第四，这种隔离负电极叠合设计的锌负极只适合叠片式的电池结构——通常为方型电池，而不适合于卷绕式的电池结构，如圆柱型电池。

无论是从节约成本还是产品多元化的角度出发，都有必要重新设计一种能有效改善复合氧能力的新型锌负极。

发明内容

本发明的目的从强化锌负极对氧气的复合着手，减少氧气在电池内部的积累，克服现有二次锌镍电池充电时内压过高的缺陷而提供一种复合氧气能力强的二次锌镍电池的锌负极及其制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种包括上述锌负极的二次锌镍电池及其制备方法，由于锌负极具有较高的氧复合能力，使得所述二次锌镍电池具有低的内压。

本发明提供的二次锌镍电池的锌负极包括层叠的多层锌负极单元，所述锌负极单元包括集流体和涂覆于该集流体两侧的锌负极材料形成的材料层，其中，每层锌负极单元的至少一侧的材料层表面包括凹槽，所述凹槽至少有一端延伸至该材料层表面的一个边缘，相邻层的锌负极单元有凹槽一侧的材料层相对。

本发明提供的二次锌镍电池锌负极的制备方法包括层叠多层锌负极单元，该锌负极单元包括集流体和集流体两侧的锌负极材料层，其中，该方法还包括在层叠多层锌负极单元之前，在每层锌负极单元的至少一侧的材料层表面设置凹槽，所述凹槽至少有一端延伸至该材料层表面的一个边缘，相邻层的锌负极单元有凹槽的一侧的材料层相对。

本发明提供的二次锌镍电池包括极芯和碱性电解液，所述极芯和碱性电解液密封在电池壳体内，所述极芯包括镍正极、锌负极和隔膜，其中，所述锌负极为本发明的锌负极。

本发明提供的二次锌镍电池的制备方法包括制备该电池的镍正极和锌负极，并且将镍正极、锌负极和隔膜制备成一个极芯，将得到的极芯和电解液密封在电池壳中，其中，所述锌负极为本发明的锌负极。