使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池制造技术

本发明专利技术提供一种空气阴极电池，所述空气阴极电池使用具有碳添加剂的锌浆料阳极。所述电池由空气阴极和锌浆料阳极制成。所述锌浆料阳极包含锌粒子和碱性电解质，在所述碱性电解质中具有络合剂和碳添加剂。透水性离子交换膜和电解质室将锌浆料与空气阴极隔开。碳添加剂可以例如为石墨、碳纤维、炭黑或碳纳米粒子。碳添加剂对锌的比例在2.5重量％至10重量％的范围内。碱性电解质在锌浆料中的比例在50体积％至80体积％的范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及电化学电池，更具体地，涉及使用具有碳添加剂、络合剂和辅助水源的锌浆料阳极的流通型(flow-through)空气阴极电池。
技术介绍
流通型电池由于其长循环寿命、柔性设计和高可靠性而已经为用于大规模储能用途得到了深入研究和开发。电池是一种电化学装置，其中离子(例如，金属离子、氢氧根离子、质子等)往返于阳极与阴极之间以实现能量存储和转化。在常规电池中，包括阳极材料、阴极材料、隔膜、电解质和集电器的所有组件都被装入体积固定的容器中。在电池被组装后，其能量和容量是不可变的。流通型电池由被离子交换膜隔开的集电器(电极)组成，其阳极和阴极材料存储在单独的存储槽中。阳极和阴极材料通过其中发生电化学反应以释放和存储能量的流通型电池进行循环。因此，电池容量和能量由以下确定：(1)电极材料(阳极电解质和阴极电解质)，(2)阳极电解质和阴极电解质的浓度，和(3)阳极电解质和阴极电解质存储槽的体积。空气电池可以被认为是流通型阴极电池，其中空气中的氧持续地经过反应性金属电极而作为阴极。电解质通常将阴极与金属或金属化合物阳极隔开。锌是有利的金属，并且其可以呈固相或呈粒子形式以实现流通型阳极。使用流通型锌粒子阳极的常规电池遭受为避免锌粒子周围的钝化而需要大量电解质的问题。此外，锌粒子阳极需要持续的泵送，并且支持泵送所需的粘度导致低的锌浓度。如果存在使用具有高浓度锌的低粘度浆料的流通型锌阳极电池，将会是有益的。
技术实现思路
在此公开的为通过将空气阴极与低成本锌浆料阳极结合而实现的具有可扩缩容量的锌-空气电池。浆料阳极允许锌空气电池机械地再充电。锌-空气电池使用呈高浓度锌浆料形式的阳极，所述高浓度锌浆料具有足够低的粘度并且在放电后不固化。在放电后，用过的浆料可以被从连接的储池中泵送的新鲜的浆料替换，使得实现机械充电。浆料阳极包含锌粒子、碱性溶液、络合剂和碳添加剂。所述电池的某些独特方面包括用以改善粘度的添加剂(例如石墨或碳纤维)和络合剂的使用，使浆料移动通过体系从而用新鲜的浆料替换用过的浆料(机械地充电)的机构，和在浆料中保持足够的水含量以防止干燥从而可以使化学反应进行至完成的机构。在这种类型的锌-空气电池中，锌浆料能够实现深度放电(80％以上)和高能量密度。因为浆料不需要持续泵送，所以改善了电池效率。因此，提供使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池。所述电池由空气阴极和锌浆料阳极制成。锌浆料阳极包含锌粒子、碱性电解质，在所述碱性电解质中具有络合剂和碳添加剂。具有碱性电解质的电解质室与空气阴极相邻，并且透水性离子交换膜将电解质室与锌浆料隔开。碳添加剂可以例如为石墨、碳纤维、炭黑或碳纳米粒子。碳添加剂对锌的比例在2.5重量％至10重量％的范围内。碱性电解质在锌浆料中的比例在50体积％至80体积％的范围内。当电池在充电状态下(即，锌浆料是新鲜的)时，锌浆料具有小于10欧姆的电阻和大于15摩尔每升的锌摩尔浓度。在电池充电状态下，在25℃下，锌浆料具有在10000至1000000厘泊(cP)的范围内的粘度。下面提供上述锌-空气电池的其它详情。附图说明[图1A]图1A为使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池的局部横截面图，和详细视图。[图1B]图1B为使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池的局部横截面图，和详细视图。[图2A]图2A描绘浆料参数之间的关系。[图2B]图2B描绘浆料参数之间的关系。[图2C]图2C描绘浆料参数之间的关系。[图3A]图3A描绘示例性阳极集电器/流动通道的变体。[图3B]图3B描绘示例性阳极集电器/流动通道的变体。[图3C]图3C描绘示例性阳极集电器/流动通道的变体。[图4]图4描绘示例性阳极室和阴极界面。[图5]图5为描绘使用可再充电锌浆料阳极的重力自流进料空气阴极电池的局部横截面图。[图6A]图6A为描绘图5的空气阴极电池的变体的横截面图。[图6B]图6B描绘图6A的细节。具体实施方式图1A和1B分别为使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池的局部横截面图，和详细视图。电池100包含空气阴极102和锌浆料阳极104。锌浆料阳极104包含集电器106、锌粒子108、碱性电解质110，在碱性电解质110中具有碳添加剂112和络合剂113。锌粒子108、碱性电解质110、络合剂113和碳添加剂112一起形成锌浆料105。通常，锌粒子108具有在1微米至500微米范围内的平均尺寸(直径)114。需要说明的是：图不是按比例绘制的。或者，代替Zn或除Zn之外，所述粒子可以为镁(Mg)、铝(Al)、铁(Fe)、铜(Cu)或这些金属粒子的组合。包含碱性电解质117的电解质室115与空气阴极102相邻，并且透水性离子交换膜119置于电解质室和锌浆料阳极104之间。碳添加剂112可以为石墨、碳纤维、炭黑或碳纳米粒子。然而，其它形式的碳可以也是适用的。碱性电解质110和117可以例如为氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)。然而，已知许多其它碱性电解质可以也是适用的。在某些方面，电解质可以包含渗透通过IEM119以防止锌浆料阳极104干燥的额外(过量)的水。络合剂113可以为乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸和氢氧化铵。然而，这并不是穷尽的清单，本领域技术人员将知晓其它络合剂也是适用的。在充电状态下，锌浆料(即，新鲜的锌浆料)具有小于10欧姆的电阻和大于15摩尔每升(mol/L)的锌摩尔浓度。如在此使用的，“充电状态”被定义为电池活性材料尚未经历驱动电子(通过外电路，例如负载)从阳极向阴极移动且由此发电的自发氧化还原反应。“放电状态”在此被定义为如下状态：因为阳极材料已被氧化并且阴极材料已被还原，所以发电的自发反应已停止。新鲜的Zn或新鲜的Zn浆料是指具有中性电荷或呈金属形态的锌。用过的Zn或用过的Zn浆料是指已经被氧化并转化为ZnO的锌。ZnO中的Zn为已经对O原子失去2个电子的具有2+电荷的离子。因为ZnO不如Zn密实，所以用过的浆料具有较大体积。碳添加剂112对锌108的比例在按重量计为2.5％至10％(重量％)的范围内。碱性电解质110在锌浆料中的比例在50体积％至80体积％的范围内。在电池充电状态下，在25℃下，锌浆料具有在10000至1000000厘泊(cP)的范围内的粘度。空气阴极102包含膜电极组件(MEA)116和集电器118。如图1B中所示，MEA116可以包含催化剂层130和气体扩散层(GDL)132。膜133将催化剂层130与电解质117隔开。催化剂试剂可以为嵌入碳的导电层中的铂粒子。GDL可以包含碳层和铂粒子以及某些疏水剂如特氟隆。GDL132允许空气从外部进入，但防止水和电解质渗出从而防止干燥。通常，集电器118和106为高导电性金属或金属涂覆的碳材料。集电器106和118被示为与负载120电连接。如本领域中众所周知的，MEA被广泛用于与流通型电池共享若干特性的燃料电池中。阳极室收容阳极集电器106，并具有输入流端口124和输出流端口126。阳极浆料储池128与阳极室的输入流端口124和输出流端口126连接。在一个方面，电池100包含水储池134，并且电解质室115具有与该水储池连接的输入端口136。在锌-空气体系中使用浆料使电池容量最大化，因为所公开的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池，所述电池包含：空气阴极；锌浆料阳极，所述锌浆料阳极包含：集电器；锌浆料，所述锌浆料包含锌粒子、碱性电解质和在所述碱性电解质中的碳添加剂和络合剂；电解质室，所述电解质室包含碱性电解质并与所述空气阴极相邻；和将所述锌浆料阳极与所述电解质室隔开的透水性离子交换膜(IEM)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.29 US 14/473,7131.一种使用具有碳添加剂的锌浆料阳极的空气阴极电池，所述电池包含：空气阴极；锌浆料阳极，所述锌浆料阳极包含：集电器；锌浆料，所述锌浆料包含锌粒子、碱性电解质和在所述碱性电解质中的碳添加剂和络合剂；电解质室，所述电解质室包含碱性电解质并与所述空气阴极相邻；和将所述锌浆料阳极与所述电解质室隔开的透水性离子交换膜(IEM)。2.根据权利要求1所述的电池，其中，所述碳添加剂选自由石墨、碳纤维、炭黑和碳纳米粒子构成的组。3.根据权利要求1或2所述的电池，其中，在电池充电状态下，所述锌浆料具有小于10欧姆的电阻和大于15摩尔每升的锌摩尔浓度；其中所述碳添加剂对所述锌粒子的比例在2.5重量％至10重量％的范围内；并且其中所述碱性电解质在所述锌浆料中的比例在50体积％至80体积％的范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中，所述锌粒子具有在1微米至500微米的范围内的平均尺寸。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池，其中，所述碱性电解质选自由氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)构成的组。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池，其中，所述空气阴极包含：膜电极组件(MEA)；和集电器。7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池，其还包含：阳极室，所述阳极室具有集电器、输入流端口和输出流端口；以及阳极浆料储池，所述阳极浆料储池与所述阳极室的所述输入流端口和所述输出流端口连接。8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池，其中，在电池充电状态下，在25℃下，所述锌浆料具有在10000至1000000厘泊(cP)的范围内的粘度。9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池，其中，所述络合剂选自由乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸和氢氧化铵构成的组。10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池，其还包含水储池，并且其中所述电解质室具有与所述水储池连接的输入端口。11.一种使用可再充电锌浆料阳极的空气阴极电池，所述电池包含：空气阴极；锌浆料阳极体系，所述锌浆料阳极体系包含：锌浆料，所述锌浆料包含锌粒子、碱性电解质、在所述碱性电解质中的络合剂和碳添加剂；浆料进料储池；浆料收...

【专利技术属性】
技术研发人员：希达亚特·基什道约诺，鲁宇浩，李宗霑，大卫·埃文斯，汪龙，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP