[发明专利]一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源技术领域，具体涉及一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池。

背景技术

锌空气电池(Metal-AirBattery)是进行电能高效转换和大规模储存的重要技术方向之一。该电池利用空气中的氧气作为正极电化学反应活性物质，金属锌作为负极电化学反应活性物质。在电池运行过程中金属电极发生溶解或沉积，放电产物溶解在碱性电解液中；利用空气中的氧气在空气电极上进行氧还原(ORR)或氧析出(OER)电化学反应，完成电能与化学能相互转换。锌空气电池的单电池理论电压为1.65V,多个单电池串联后可提供所需的功率。在电池充电/放电过程中，锌空气电池的电极上发生如下所示的可逆电化学反应。

负极反应

正极反应

由于正极以空气中的氧气作为电化学反应活性物质，电池容量仅仅取决于负极金属电极，具有安全性好、比能量高、成本低的优势。目前，在人们研究发展的几种金属负极中，包括锂、锌、铝、镁等，只有锌电极在碱性水溶液环境中具有良好的耐腐蚀性和可接受的反应动力学特性，一次性的锌-空气电池成为唯一实现商业化生产的金属/空气电池品种，主要在助听器中以纽扣电池形式应用。发展高效二次电化学可充的锌空气电池，它和太阳能发电共同组成户用能源系统，以及作为新型电动车用动力电池十分重要。

电化学可充的二次锌空气电池锌电极在放电时发生反应而溶解，但是在充电时，电解液中的二价锌Zn(Ⅱ)不是沉积到原先溶解的位置，而会在重力作用下优先沉积到集流体的下方位置，多次循环以后锌电极会发生形变且在集流体下方形成明显的锌枝晶，锌枝晶既可能导致电池正负极短路使电池失效，也会跌落造成电池容量衰减。

目前报道的电化学可充的二次锌空气电池多为两电极模式，空气电极内需要含有双功能催化剂，该催化剂既要保证充电时催化氧析出反应，又要满足放电时催化氧还原反应。在电池充电时，空气电极上产生的新生态活性氧，具有很高的氧化活性，往往会与氧还原反应的催化剂，以及其它电极材料发生反应，导致电极性能劣化。与此同时，新生态活性氧结合为氧分子后从电解液中溢出，体积发生显著变化，往往使空气电极结构变得疏松，显著降低空气电极性能，从而导致电池寿命衰减。采用具有双催化功能的空气电极，需要空气电极同时具备催化氧析出反应和氧还原反应能力，以及同时具有完成氧气体扩散和电解液连通的通道，还需要防止电解液渗漏，在技术和工艺上变得十分困难，严重阻碍了锌空气电池技术发展。

发明内容

本发明旨在克服已有技术的不足之处，提供一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池，该种结构的电池可消除由于重力作用给电池带来的负面影响，抑制锌电极变形和枝晶生长；同时该电池为三电极电池体系，使氧析出反应和氧还原反应分别在氧析出电极和氧还原电极上进行，避免了充电时产生的氧气对空气电极的破坏，延长了空气电极的寿命，从而延长了电池的寿命；三电极体系把电池的催化氧析出反应的功能和催化氧还原反应的功能分开设计，极大简化了空气电极的结构。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明的一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池，该电池包括氧析出(OER)电极、锌电极和电池组件，其特征在于，还包括氧还原(ORR)电极，所述氧析出电极、锌电极和氧还原电极均水平安装，并用电池组件组装在一起，充电时锌电极和氧析出电极组成工作回路，放电时锌电极和氧还原电极组成工作回路；所述氧析出电极具有催化氧析出反应的能力，在电池充电时所述电极上发生氧析出反应；所述氧还原电极具有催化氧还原反应的能力，在电池放电时所述电极上发生氧还原反应。

所述氧析出电极、锌电极、氧还原电极彼此平行，并且均平行于水平面安装，从上到下依次安装顺序为氧析出电极、锌电极和氧还原电极；氧析出电极和氧还原电极间为电解液腔室，电解液在锌电极、氧析出电极、氧还原电极之间贯通；氧析出电极和氧还原电极的一侧与电解液接触，氧析出电极和氧还原电极的另外一侧与空气接触。

所述氧析出电极、锌电极、氧还原电极彼此平行，并且均平行于水平面安装，所述氧析出电极和氧还原电极位于锌电极的同一侧。