[发明专利]可再充电铜-锌电池

说明书

一种可再充电电池，包括相组合的双极电极、锌电解质、铜电解质以及不可渗透金属离子的聚合物电化学隔膜，其中所述锌电解质和所述铜电解质通过在一侧上的双极电极和在另一侧上的隔膜彼此隔开。一种包括至少一个所述可再充电电池的电池组。

技术领域

本发明涉及可再充电铜-锌电池，其包括用作可传导电子和质子但不可传导且不可渗透金属离子的隔膜。

背景技术

最近，进行了大量实验以尝试开发使用碱性电解质和锌化合物作为负电极材料的可再充电电池组，这是因为这样的组合可以具有许多优异特性，如高能量密度、高工作电压、合理的材料成本、优异的大电流工况特征(heavy drain duty performance)和低温工况特征。经过大量技术努力之后，已发现获得长寿命充放电循环操作上的改进。例如，通过将氧化锌和/或锌粉以及汞或氧化汞的混合物涂覆在集电器上制备电极，其中氧化锌和/或锌粉占混合物的80wt％至90wt％，汞和氧化汞占5wt％至20wt％。然而，如果电池组经历重复的充放电操作，具有这种电极的电池组的放电容量逐渐降低，即使在2mA/cm2至3mA/cm2的低电流密度情况下也是如此。在这样的操作下，该充放电操作难以超过50个循环，因为容量会降低至初始容量的一半。商用可再充电电池组必须保持大于初始容量的一半，即使在第200次充电处理之后也是如此。为了制造这样的电池组，需要对锌电极、正电极、隔板和电解质进行新的改进。

如果电池组的锌电极的放电产物在放电期间不溶解入电解质中，那么可以预期电池组的良好的可再充电性能。针对防止这种溶解而进行测试的一种电极是含有氢氧化钙的片状锌电极以将作为CaZn(OH)4的放电产物固定在电极上，如N.A.Zhulidov在1958年3月7日提交的苏联发明人证书第116812号所报导。然而，由于被称为钝化现象的锌粉上钝化膜的形成，这种电极不能耐受大电流放电业务。此外，也测试了其中限制了电解质的量以防止反应性产物溶解到电解质中的半干型负电极，但同样不能令人满意。

美国专利第684204号公开了可再充电铜/锌电池组。然而，该电池组不能正常工作，因为其不包括膜。

美国专利号第4037033号公开了可再充电镍-锌电池组，其能够经历多次充放电循环。

因此，需要能够在大电流放电倍率下进行多次充放电循环的铜-锌可再充电电池。

常规阳离子和质子传导膜通常包括均质聚合物(homogeneous polymer)的片、类似聚合物的层合片或聚合物的共混物。

已证明多种聚合物是阳离子导体。

这样的聚合物的实例是作为固体有机超酸的全氟磺酸(PFSA)族，并且膜被制造为均质片。

所有这些聚合物材料都依赖磺酸酯官能团(R-SO3--)作为一般是单价的移动阳离子(H+、Li+、Na+等)的固定反电荷。