[发明专利]一种避免锌枝晶短路的结构、制备和含有该结构的电池

说明书

一种避免锌枝晶短路的结构、制备和含有该结构的电池，包括由至少一个单元极群组；每个单元极群组均包括锌负极片、正极片、隔离膜，吸液隔膜；所述的隔离膜包括第一隔离膜和第二隔离膜，所述的吸液隔膜包括第一吸液隔膜和第二吸液隔膜；所述的第一吸液隔膜、锌负极片、第一隔离膜、第二吸液隔膜、正极片和第二隔离膜顺次叠合构成单元极群组；所述的锌负极片上设置有若干通孔，所述的第一隔离膜上也设置有若干通孔，且叠合后所述的锌负极片上设置的若干通孔与第一隔离膜上设置的若干通孔的圆心重叠，且锌负极片上设置的若干通孔的孔径大于第一隔离膜上设置的若干通孔的孔径。具有通过物理方法，防止短路的优点。

技术领域

本申请涉及碱性电池技术领域，具体的涉及一种避免碱性电池中锌枝晶短路的结构、制备和含有该结构的电池。

背景技术

目前，电动汽车发展取得了很大进展。由于锂离子电池具有较高的比能量、较长的循环寿命，无重金属污染等优点，电动汽车普遍采用锂离子电池，而锂离子电池是采用有机溶剂作为电解液，容易出现燃烧爆炸的危险。安全问题一直困扰着新能源电动汽车的发展。寻找一种不燃烧且比能量高的蓄电池，对电动汽车具有非常重大的意义。

碱性电池一般采用碱液作为电解液，是一种水系电解液，不燃烧不爆炸，具有热容量大的特点，安全性能极高。

由于锌镍电池，正极沿用镍氢电池的正极，工艺比较成熟，性能也较稳定，而负极采用锌和氧化锌制备活性物质。锌电极在碱性溶液中具有很强的电化学活性，这使其在具备高速充放电能力的同时，同样具有热力学性质不稳定，且放电产物锌酸盐在强碱性的电解液中具有很高的溶解度，因此电极往往容易出现极片变形、枝晶的生长的现象，从而导致电极逐渐失效。尤其是枝晶问题，是一道百年难题，阻碍了锌镍电池的发展。

目前的改善方案为：在电极中引入铟盐或铟的氧化物、以及稀土氧化物，引入锌酸钙等；在电解液中引入缓蚀剂、络合剂；采用防枝晶隔膜包覆电极等。但是，收到的效果不佳，很多细节问题，导致了锌枝晶的偶然发生，导致电池一致性不良、循环寿命不佳、可靠性大打折扣。图1是对锌枝晶的扫描电镜SEM图，图2是常规电极锂枝晶生长的示意图，从图中信息表明锌枝晶是从负极片基面向着远离负极片基面定向生长的。为了对付枝晶，清华大学深圳研究生院的杨诚研究团队设计了一种“蛇笼”状阵列结构，如图3所示，通过扭曲微观电场分布以诱导锂枝晶沿水平方向(平行隔膜方向)的阵列生长，大幅度提高了锂金属电池的安全性能。这种采用“笼子”的方法，解决了枝晶生长的方向和高度(设定在电场范围内)，但是，制作“笼子”工程巨大，很难实现低成本工业化应用。

康奈尔大学Lynden Archer课题组联合石溪大学、美国国家标准与技术研究所的研究者在Science杂志上发表论文，开发出一种从源头上抑制锌枝晶生长的“外延电沉积”策略。他们先在不锈钢电极表面沉积石墨烯，使其外延匹配金属锌的基底(002)面，从而使晶格应变最小；此后再在石墨烯外延基底上电沉积金属锌，锌的结晶取向就优先平行于电极，形成板状堆积结构，而非枝晶，如图4所示。如此制备的金属锌电极在循环过程中，锌也以板状“趴着”析出，而不会以枝晶的形式“站着”闹事。实验结果表明，使用这种金属锌负极的电池在数千次循环后仍然表现出极好的可逆性能。上述方法在石墨烯外延基底上电沉积金属锌，锌的结晶取向就优先平行于电极，形成板状堆积结构，避免形成枝晶。但是这种方法，需要采用不锈钢表面外延生长石墨烯，并外延生长锌，再用沉积锌作为电极，成本也非常高，工业化实现不容易实现。

锌枝晶生长一般是从锌负极片平面，向着远离负极片基面生长的，特别是向着正极片基面方向生长。枝晶生长与充电电流密度、电流分布、电解液中的锌离子浓度、温度、电极表面平整度、活性物质混合均匀性、杂质含量、电场作用、电极边缘位置等有关。在充电过程中，溶解在溶液中的锌离子，在锌负极某些活性点首先产生锌沉积，并且由于锌导电能力强，促使该结晶点更容易得到电子，而继续在这些电位上优先沉积结晶，逐渐形成凸点，这些凸点发生“尖峰效应”，枝晶逐渐生长，直至穿透隔膜，到达正极发生短路。

发明内容