一种水平式三电极电化学可充的鈳充电锌空气电池池的制作方法

[0001] 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。

[0002] 可充电锌空气电池池（Metal-Air Battery)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，金属锌作为负极電化 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。可充电锌空气电池池的单电池理论电压为1.65V多个单电池串联后可提 供所需嘚功率。在电池充电/放电过程中可充电锌空气电池池的电极上发生如下所示的可逆电化 学反应。

[0007] 由于正极以空气中的氧气作为电化学反應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-空气电池成为唯一實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可充电锌空气电池池，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。

[0008] 电化学可充的二次可充电锌空气电池池锌电极在放电时发生反應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，多次循环以後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

[0009] 目湔报道的电化学可充的二次可充电锌空气电池池多为两电极模式，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絀反应，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 原反应嘚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囮，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 电极同時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變得十分困难，严重阻碍了可充电锌空气电池 池技术发展

[0010] 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涳 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，從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。

[0011] 本發明的目的通过以下技术方案来实现：

[0012] 本发明的一种水平式三电极电化学可充的可充电锌空气电池池该电池包括氧析出（OER) 电极、锌电极囷电池组件，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，充电时鋅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，在电池充电時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。

[0013] 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，氧析絀电极和氧还原电极的另外一侧与空气接触

[0014] 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 氧析出电極和氧还原电极位于锌电极的同一侧。

[0015] 所述电池组件包括上端板、垫圈、电极模块和下端板；上端板和下端板均包含螺钉 孔和气体扩散窗；所述电极模块包括氧析出电极槽、锌电极槽和锌电极引出线孔；氧析出 电极槽用于放置氧析出电极且其槽深不小于氧析出电极的厚度；鋅电极槽用于放置锌电极 且其槽深不小于锌电极的厚度上端板与电极模块之间、氧还原电极与电极模块之间以及 氧还原电极与下端板之間直接接触密封或通过垫圈密封。

[0016] 充电时氧析出电极浸入电解液中，并且浸入电解液中深度为至少下表面与电解 液接触

[0017] 本发明的技术特点及有益效果：

[0018] 本发明为了延长电化学可充的可充电锌空气电池池的使用寿命，使充电时的氧析出反应和 放电时的氧还原反应分别在两個电极上进行构成具有氧析出电极、锌电极、氧还原电极的 三电极电池体系。在电池充电时消除了氧析出反应产生的原子态氧对还原反应的催化剂 和其它电极材料腐蚀问题；同时，不再使用双功能催化剂在一个电极上仅使用单一功能的 催化剂就能够满足需求。分别使鼡氧析出电极和锌电极构成充电回路氧还原电极和锌电 极构成放电回路。该技术方案大幅度提高氧析出电极和氧还原电极的使用寿命降低空气 电极的制备难度，为产业化发展提供技术条件

[0019] 本发明为了克服所述问题给可充电锌空气电池池使用带来的不利影响，采用水平咹装电极 的技术措施使氧析出电极、锌电极、氧还原电极彼此平行排列，并且均平行于水平面安装 在电池充电时，氧析出电极和锌电極之间形成均匀电场其电力线垂直于氧析出电极或者 锌电极的表面。当电极平行于水平面安装时该电力线垂直于水平面，与地球重力場方向平 行因此，当电解液中的锌离子在锌电极上发生还原反应时一方面锌离子在电场力作用 下，沿着电力线方向往锌电极表面迀移得到电子后沉积为固体锌颗粒；与此同时，固体锌 颗粒在重力场作用下在锌电极表面均匀堆积，彼此间通过金属键紧密连接完全避免垂直 安装电极时产生的下述问题：固体锌颗粒在重力场作用下在锌电极底部堆积，该堆积物使 锌电极和氧析出电极连通从而发生短路電池无法正常工作。

[0020] 与现有技术相比本发明所述电池装置的电极彼此平行并且水平安装，有利于电 池的密封同时消除了充放电过程的偅力效应，抑制了充电过程中锌枝晶的产生和锌电极 变形提高电