[发明专利]用于电池的锌电极

说明书

具有连续的锌网格和贯穿锌网格的空隙空间的连续网格的物品。锌网格是熔融的整体式结构。一种方法：提供具有锌粉末和液相的乳液；干燥乳液以形成海绵；退火和/或烧结海绵以形成退火后的和/或烧结后的海绵；在氧化气氛中加热退火后的和/或烧结后的海绵，以在氧化后的海绵的表面上形成具有氧化锌的氧化后的海绵；电化学还原氧化锌以形成锌金属海绵。

本申请要求于2017年10月30日提交的美国专利申请No.15797181的优先权，该美国专利申请为于2017年10月31日发布的美国专利No.9802254的部分续案申请。本申请还是于2013年3月15日提交的美国申请No.13832576的部分继续申请，该美国申请要求于2012年11月28日提交的美国临时申请No.61730946的权益。贯穿本非临时申请所涉及的这些申请以及所有其他出版物和专利文件通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般涉及用于电池和其他用途的多孔锌电极。

背景技术

为了满足不断增长的能源市场(包括电动汽车和便携式电子设备)的迫切需要，人们对电池技术进行了研究，有望克服锂离子电池的一些弊端。尽管锂离子电池具有低自放电、无记忆效应以及最重要的可充电性的优点，但基于锂离子的能量储存的广泛应用相对于其他有前景的电池技术受到安全性、制造成本和较低的比能量密度(specific energydensities)(200W h kg^–1)的限制(见Lee et al.,“Metal–air batteries with highenergy density:Li–air versus Zn–air”Adv.Energy Mater.2011,1,34–50)。例如，锌-空气电池具有较高的实际比能量密度(400W h kg^-1)，并且具有便宜且环保的活性材料(锌)的优点，该活性材料(锌)与消耗分子氧的空气呼吸式阴极耦合，而不需要将其存储在电池内(见Neburchilov et al.,“A review on air cathodes for zinc–air fuel cells”J.Power Sources 2010,195,1271–1291)。尽管在某些商业应用(例如助听器市场)中作为一次电池(primary battery)成功使用，但锌-空气的进一步利用却受到其充电能力有限、脉冲功率不足以及理论放电容量利用率不高(60％)的阻碍。这些限制是用于商业锌-空气电池的传统阳极形状因子中锌(Zn)的电化学行为所固有的。

当使锌-空气电池放电时，其中锌-空气电池含有混有胶凝剂、电解质和粘合剂的作为负极的锌粉末，金属锌被氧化并与电解质的氢氧根离子反应形成可溶性锌酸盐离子。溶解的锌酸盐离子从其发电点(point of electrogeneration)开始扩散直至达到过饱和状态，然后迅速沉淀并脱水以形成半导体氧化锌(ZnO)(见Cai et al.,“Spectroelectrochemical studies on dissolution and passivation of zincelectrodes in alkaline solutions”J.Electrochem.Soc.1996,143,2125–2131)。电化学再充电时，所得的氧化锌还原为锌金属，尽管其形状不同于初始放电时。随着充放电循环次数的增加，这种形状变化变得更加明显，最终导致树枝状晶体从负极中生长出来，直到它们刺穿隔膜，并造成短路，从而终止了电池的工作。

发明内容

本文公开了一种电化学电池，其包括：阳极集电器；与阳极集电器电接触的阳极；电解质；阴极集电器；阴极，其包括与阳极集电器电接触的银或氧化银；阳极和阴极之间的隔膜。阳极通过以下方法制成：提供包含金属锌粉末和液相乳液的混合物；干燥混合物以形成海绵；在惰性气氛中或在真空下，在低于锌的熔点的温度下，对海绵进行退火和/或烧结，以形成具有金属锌表面的退火后的和/或烧结后的海绵；在高于锌的熔点的温度下，在氧化气氛中，加热退火后的和/或烧结后的海绵，以在氧化海绵的表面上形成包括氧化锌壳的氧化后的海绵。阳极包括：包含金属锌的连续网格；贯穿锌网格的连续的空隙空间网格；连接金属锌颗粒芯的金属锌桥。电解质填充空隙空间。