一种水平式三电极电化学可充的锌空气电池的制作方法
【技术领域】
[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。
【背景技术】
[0002] 锌空气电池（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，金属锌作为负极电化 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。锌空气电池的单电池理论电压为1.65V，多个单电池串联后可提 供所需的功率。在电池充电/放电过程中，锌空气电池的电极上发生如下所示的可逆电化 学反应。
[0003] 负极反应
[0007] 由于正极以空气中的氧气作为电化学反应活性物质，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-空气电池成为唯一实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锌空气电池，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] 电化学可充的二次锌空气电池锌电极在放电时发生反应而溶解，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，多次循环以后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] 目前报道的电化学可充的二次锌空气电池多为两电极模式，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出反应，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 原反应的催化剂，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，体积发生显著变化，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 电极同时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，在技术和工艺上变得十分困难，严重阻碍了锌空气电 池技术发展。
【发明内容】
[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空 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，从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] 本发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锌空气电池，该电池包括氧析出（OER) 电极、锌电极和电池组件，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，充电时锌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，在电池充电时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，氧析出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 氧析出电极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；锌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间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锌空气电池的使用寿命，使充电时的氧析出反应和 放电时的氧还原反应分别在两个电极上进行，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。分别使用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锌空气电池使用带来的不利影响，采用水平安装电极 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，氧析出电极和锌电极之间形成均匀电场，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，与地球重力场方向平 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，从而发生短路电池无法正常工作。
[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重力效应，抑制了充电过程中锌枝晶的产生和锌电极 变形，提高电