[发明专利]一种锌双氧水电池

说明书

一种锌双氧水电池，属于电池领域。锌双氧水电池包括双氧水室、正极、隔膜、负极、负极壳和正极壳。双氧水室由双氧水和双氧水分解催化剂组成，正极壳和负极壳相互密封将双氧水室、正极、隔膜以及负极囊括在内部。同时正极壳和正极之间具有绝缘螺纹，其能够避免短路，阻挡双氧水、氧气和电池中的电解液的泄漏，从而提高电池的功率密度和使用寿命。锌双氧水电池可以适用于各种密闭环境工作的装置，特别是水下装置等。

技术领域

本申请涉及电池领域，具体而言，涉及一种锌双氧水电池。

技术背景

随着环境问题日益突出以及可持续能源的快速发展，人们对新型电化学能量转换和存储装置的需求变得更加迫切。当前，新兴的电动装置多数使用传统储能器件(如铅酸电池等)和商业化的锂电池。无人机和小型飞机等空中电动装置使用的基本是锂电池，但工作时间仅1-2小时；机器人和电动车等陆上电动装置主要依赖铅酸电池和锂电池，同样工作时间较短；水下机器人和潜艇等使用的储能装置多为铅酸电池，少部分为锂离子电池，但是工作时间更短。可以看出，同商业化锂离子电池等动力电池相比，水下动力电池发展相对滞后。2019年俄罗斯核潜艇严重事故的原因是锂电池故障，说明高安全性是水下航行器电池的必要特征。因此，理想的水下动力电池需要高安全性、大比容量和高功率密度。

金属-空气电池因具有较高的能量密度和巨大的发展潜力而备受关注。在所有金属-空气电池体系中，锌-空气电池经常被认为是未来电动汽车应用中在技术和经济上最可行的选择之一。水性锌-空气电池因其高能量密度、电池电压、固有安全性以及合适的还原电位，受到越来越多研究者的关注。锌-空气电池与锂- 空气电池相比，具有较好的安全性能；与镁/铝-空气电池相比，具有自放电慢和充电效率高等优点。此外，锌是地壳中第四丰富的元素，不但能够实现大规模生产且成本较为廉价，而且锌离子对环境影响较小。

目前锌-空气电池存在许多有待克服的难题。开发实用型锌-空气电池的最大挑战和瓶颈是合理设计高效的双功能空气电极，控制化学成分，设计良好的架构，有效催化关键的氧还原反应和析氧反应。目前锌-空气电池面临的问题有：(1) 需要大量的含氧空间，不适用于封闭空间工作，且常压空气下氧气的扩散速率较低，大电流工作时电压极化较大，功率密度较低。(2)由于在OER的氧化性和 ORR还原性的条件下，氧气催化剂材料必须具有良好的稳定性，因此开发高度稳定的空气电极是当前挑战性的难题之一。(3)铂碳(Pt/C)催化剂表现出了较好的ORR活性，但OER性能较差。钌(Ru)和铱(Ir)基氧化物催化剂表现出优异的OER性能，但其ORR活性较低。贵金属的高成本阻碍了它们在锌-空气电池系统中规模化应用。(4)在干燥开放的环境中电解液迅速蒸发，致使器件寿命降低。 (5)空气中的二氧化碳与锌-空气电池的碱性电解质发生反应，形成碳酸盐阻塞空气电极的孔隙，使得电池电压极化增加甚至失活。高纯氧可以避免堵塞电极，但需要利用高压气瓶来储存氧气，会造成较高的成本。特别重要的是，锌-空气电池在缺氧状态下无法工作。

H₂O₂可以有效解决封闭系统中用氧的难题。H₂O₂是一种用途广泛的富氧试剂，具有安全、高效、低污染等特点。空气中含氧量虽然达到20％，但是不能满足高功率工作的需要，氧含量只有9mmol/L。45％的H₂O₂溶液的储氧浓度约为6mol/L (5mol/kg)，比常压空气中氧浓度高600多倍。12MPa的高压空气瓶和纯氧气瓶的氧含量分别为0.7和3.7mol/kg，远低于45％的H₂O₂溶液分解产氧量。更重要的是，通过H₂O₂分解生产的纯氧和水也是在密闭空间(如载人航行器)中生存的必要条件。因此，H₂O₂作为一种高含氧试剂，是开发高功率新型电池中低密度氧的理想替代品。因此，Zn-H₂O₂电池将有更广泛的应用途径，如水下等氧浓度低的环境。

发明内容