[发明专利]一种锌基单电池电极结构及应用

说明书

一种锌基电池电极结构，将电极表面进行凹凸起伏的结构设计，可将该结构单独应用于电池正极或者负极；也可以将该结构同时应用于正负极交错耦合使用。该电极表面结构设计方法，使得电池的充放电面容量、能量密度与循环寿命显著提高。该电极具有结构简单、加工及制造工艺简单的优点。

技术领域

本发明涉及一种新型锌基电池电极。

技术背景

锌基电池体系是一种低成本、高能量密度、长寿命、环境友好、安全性高的储能系统，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。锌基电池系统主要包括锌离子电池、锌离子电容器、锌镍电池、锌空气电池及其锌基液流电池体系(锌镍液流电池、锌铁液流电池、锌碘液流电池、锌溴液流电池等)。其特征在于负极部分利用锌的沉积溶解反应，故锌基电池的电极结构，将对电池的性能起到十分关键的作用。

该新型锌基电池的结构设计，针对锌基电池的面容量低、循环稳定性差、容易形成枝晶等问题，结合锌基电池的工作特点，通过改变宏观电极表面结构，增加宏观结构的比表面积，调整锌的沉积方式。该结构可以有效地增加锌的沉积量，提高能量密度；可以有效地降低锌枝晶对电池循环稳定性的影响，提升电池的库伦效率与循环寿命。

相比于其他电极结构的微观与化学法的结构设计，该方法对电池性能的提升效果更加显著，操作工艺简单，仅使用机械加工的方法便可实现；也可以减小电极材料的使用量，实现经济效益的提升。

发明内容

本发明结合锌基电池的工作原理与电池结构特点，通过在电极表面进行凹凸不平的宏观结构设计，构筑宏观三维表面，使得锌在电极上的沉积行为得到有效调节，进而提升电池的能量密度、库伦效率与循环寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

电极表面宏观结构如图6所示。该电极表面的凹凸结构具有尺寸均匀的特征。其凸起结构与凹陷结构具有可交错耦合的特点(即若正负极交错耦合使用，每个凸起结构或凹陷结构所处的相对位置一致且对称)。图7所示为正负极交错耦合使用的方法。

本发明的有益效果：

本发明针对水系锌基电池面容量低、循环稳定性差等问题，通过在电极表面设计宏观凹凸不平的结构，增加电极表面积，使得负极锌的沉积量增加，正极有效利用的活性面积增加。可有效地提高了电池能量密度、库伦效率与循环寿命。本电极结构设计与加工简单，可批量化生产，可提高锌基电池的循环稳定性，推动锌基电池的发展。

附图说明

图1.所述每种电极结构设计的大体尺寸。

图2.所述电极结构设计示意图。

图3.所述正负极使用方法结构示意图

图4.未做处理碳毡的循环性能。

图5.未做处理碳毡的首次充放电曲线。

图6.正负极均使用带有凹凸设计的碳毡的循环性能。

图7.正负极均使用带有凹凸设计的碳毡的首次充放电曲线。

具体实施方式

一种锌基单电池电极结构，锌基单电池包括依次层叠的正极、隔膜、负极，其中正负极带有沟槽结构。

以电极与隔膜的接触面为基准平面，于基准平面上定义相互垂直的X轴与Y轴两个方向；定义垂直于电极表面且远离隔膜的方向为Z轴方向；其中电极包括正极与负极。

于正极面向隔膜的表面沿X轴方向均匀设有两组以上的相间隔的凹槽行，每个X轴凹槽行均包含2个以上沿Y轴方向依次间隔设置的凹槽，除凹槽处外，面向隔膜的电极原表面保留部分形成孤岛表面A，孤岛表面的几何中心为AC；凹槽底面形成新的电极表面B，凹槽底面几何中心为BC。