水系鋅離子電池的原理、組裝與應(yīng)用

王子野 李國(guó)華

摘 要： 鋅離子電池由于其良好的環(huán)境兼容性、極高容量密度、低廉的價(jià)格和很高的安全性，被認(rèn)為是今后大規(guī)模能量?jī)?chǔ)存的方向。本文介紹了鋅離子電池的原理及其裝配基本步驟。

關(guān)鍵詞： 鋅離子電池;電解液;集流體;能量存儲(chǔ)

在能源問(wèn)題日益凸顯的今天，怎樣選擇一個(gè)良好的能量?jī)?chǔ)存載體越來(lái)越成為一個(gè)全球?qū)W者都關(guān)注的熱點(diǎn)。包括智能手機(jī)在內(nèi)的移動(dòng)通訊存儲(chǔ)設(shè)備，絕大多數(shù)使用的已經(jīng)是鋰離子電池，電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)對(duì)于電池的需求也越來(lái)越旺盛，在未來(lái)的儲(chǔ)能領(lǐng)域，高容量電池也必將大放光彩。然而鋰離子電池帶來(lái)便捷的同時(shí)，它同樣具有極大的安全隱患和潛在的危險(xiǎn)，經(jīng)常發(fā)生的鋰離子電池的爆炸和爆燃意外給使用者的財(cái)產(chǎn)甚至生命安全帶來(lái)了極大的安全隱患和威脅。而鋅離子電池具有著鋰離子電池不具備的水系電解液，從而良好的安全被人們認(rèn)為是鋰離子電池的替代發(fā)展方向。

1 鋅離子電池的原理

近些年來(lái)，人們研究的可充電二次鋅離子電池使鋅電極的應(yīng)用擴(kuò)展到中性電解液體系，主要代表活性物質(zhì)為錳系和釩系正極材料構(gòu)成的鋅離子電池。在二氧化錳和二氧化釩中，錳和釩離子具有多價(jià)態(tài)離子儲(chǔ)存，研究表明納米二氧化錳的大隧道和釩的層狀結(jié)構(gòu)非常利于儲(chǔ)存鋅離子，以及二價(jià)的堿土金屬陽(yáng)離子，Zn2+在大隧道的錳材料和層狀釩材料中，具有可逆并且快速的嵌入和脫出行為，另外Zn2+可以在含 Zn2+的中性電解液（如硝酸鋅、硫酸鋅或氯化鋅）中可逆并且快速的沉積和溶解?；阡\離子在正極和電解液中的以上行為為原理，構(gòu)成了一種可充電二次鋅離子電池（簡(jiǎn)稱 ZIB）。電化學(xué)相關(guān)分析表明，基于這種原理的新型可充電鋅電池同時(shí)具有很高的功率密度和能量密度，在未來(lái)作為鋰離子電池的取代者有很廣的應(yīng)用前景。

鋅離子電池以層狀釩系材料以及大隧道錳系化合物為正極材料，以金屬單質(zhì)鋅（鋅片或鋅粉）為負(fù)極材料，玻璃纖維膜為隔膜，以含鋅離子的硝酸鋅、硫酸鋅或氯化鋅為電解液，相關(guān)原理圖如下圖所示。

2 鋅離子電池實(shí)驗(yàn)室的組裝和制備

實(shí)驗(yàn)室用鋅離子電池的組裝由以下五部分構(gòu)成：電池殼（包括彈片和墊片）、正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液。

電池殼我們這里使用2032型不銹鋼電池殼，附帶一個(gè)1.5mm的墊片和彈片。

正極材料由活性物質(zhì)、科琴黑（或乙炔黑）、PVDF和NMP構(gòu)成，制備方式為：活性物質(zhì)合成以后，將其與科琴黑、PVDF以8：1：1質(zhì)量比放入瑪瑙研缽中充分研磨1小時(shí)，加入60質(zhì)量比的NMP后磁力攪拌36小時(shí)后涂覆在集流體上。集流體可選擇不銹鋼網(wǎng)，涂覆厚度約為15μm，隨后放入真空干燥箱中在真空環(huán)境下120攝氏度干燥18小時(shí)后切片備用。

負(fù)極材料為99.99%純度的鋅片，厚度1mm，裁成圓形裝片。隔膜我們選用whatman GF/A玻璃纖維膜。

電解液可選的種類和濃度有很多，如硝酸鋅、氯化鋅和硫酸鋅等。經(jīng)過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)最有利于循環(huán)穩(wěn)定和容量提升的是硝酸鋅電解液。在濃度方面有1-3mol/L范圍可選，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，最佳濃度為2.3mol/L附近。

按上述材料備好后我們按照：正極電池殼-彈片-墊片-鋅片-電解液-隔膜-電解液-活性物質(zhì)-負(fù)極電池殼順序安裝電池后，使用壓機(jī)壓緊后制備完成。制備完成后的電池可經(jīng)各電流大小的普通循環(huán)及倍率循環(huán)測(cè)試其性能，參照其CV、阻抗等數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)該活性物質(zhì)的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

鋅離子電池應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)很明顯，它具有很高的安全性、極低的成本、環(huán)保性好、高能量高功率密度、大功率充放電性好等優(yōu)良特性，且具有著很強(qiáng)的創(chuàng)新性，但是在研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)它也存在一些不足，比如循環(huán)容量衰減較快，倍率循環(huán)性能不夠穩(wěn)定，易出現(xiàn)“鼓包”，鋅枝晶的生長(zhǎng)會(huì)刺破隔膜等問(wèn)題，這些問(wèn)題從各方面限制和影響了鋅離子電池的性能，影響了鋅離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。然而目前研究者們對(duì)于鋅離子電池的測(cè)試和研究還處于起步不成熟的階段，對(duì)其容量衰減機(jī)理和解決辦法的研究正在進(jìn)行，對(duì)鋅電極電化學(xué)行為的認(rèn)識(shí)比較少，因此有必要從機(jī)理上分析鋅離子電池的容量衰減、性能降低的原因，從電極材料的角度對(duì)鋅電極的電化學(xué)行為做進(jìn)一步研究。之后根據(jù)初步分析的原因，針對(duì)性地采用電極添加劑、電解液添加劑等多種方法改善鋅電極的電化學(xué)性能，提高鋅離子電池的放電性能和循環(huán)性能，以促進(jìn)鋅離子鋅電池的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，這對(duì)儲(chǔ)能器件的發(fā)展也有重要的意義。

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