一种锌基单电池电极结构及应用制造技术

一种锌基电池电极结构，将电极表面进行凹凸起伏的结构设计，可将该结构单独应用于电池正极或者负极；也可以将该结构同时应用于正负极交错耦合使用。该电极表面结构设计方法，使得电池的充放电面容量、能量密度与循环寿命显著提高。该电极具有结构简单、加工及制造工艺简单的优点。简单的优点。简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种锌基单电池电极结构及应用


[0001]本专利技术涉及一种新型锌基电池电极。
技术背景
[0002]锌基电池体系是一种低成本、高能量密度、长寿命、环境友好、安全性高的储能系统，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。锌基电池系统主要包括锌离子电池、锌离子电容器、锌镍电池、锌空气电池及其锌基液流电池体系(锌镍液流电池、锌铁液流电池、锌碘液流电池、锌溴液流电池等)。其特征在于负极部分利用锌的沉积溶解反应，故锌基电池的电极结构，将对电池的性能起到十分关键的作用。
[0003]该新型锌基电池的结构设计，针对锌基电池的面容量低、循环稳定性差、容易形成枝晶等问题，结合锌基电池的工作特点，通过改变宏观电极表面结构，增加宏观结构的比表面积，调整锌的沉积方式。该结构可以有效地增加锌的沉积量，提高能量密度；可以有效地降低锌枝晶对电池循环稳定性的影响，提升电池的库伦效率与循环寿命。
[0004]相比于其他电极结构的微观与化学法的结构设计，该方法对电池性能的提升效果更加显著，操作工艺简单，仅使用机械加工的方法便可实现；也可以减小电极材料的使用量，实现经济效益的提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术结合锌基电池的工作原理与电池结构特点，通过在电极表面进行凹凸不平的宏观结构设计，构筑宏观三维表面，使得锌在电极上的沉积行为得到有效调节，进而提升电池的能量密度、库伦效率与循环寿命。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]电极表面宏观结构如图6所示。该电极表面的凹凸结构具有尺寸均匀的特征。其凸起结构与凹陷结构具有可交错耦合的特点(即若正负极交错耦合使用，每个凸起结构或凹陷结构所处的相对位置一致且对称)。图7所示为正负极交错耦合使用的方法。
[0008]本专利技术的有益效果：
[0009]本专利技术针对水系锌基电池面容量低、循环稳定性差等问题，通过在电极表面设计宏观凹凸不平的结构，增加电极表面积，使得负极锌的沉积量增加，正极有效利用的活性面积增加。可有效地提高了电池能量密度、库伦效率与循环寿命。本电极结构设计与加工简单，可批量化生产，可提高锌基电池的循环稳定性，推动锌基电池的发展。
附图说明
[0010]图1.所述每种电极结构设计的大体尺寸。
[0011]图2.所述电极结构设计示意图。
[0012]图3.所述正负极使用方法结构示意图
[0013]图4.未做处理碳毡的循环性能。
[0014]图5.未做处理碳毡的首次充放电曲线。
[0015]图6.正负极均使用带有凹凸设计的碳毡的循环性能。
[0016]图7.正负极均使用带有凹凸设计的碳毡的首次充放电曲线。
具体实施方式
[0017]一种锌基单电池电极结构，锌基单电池包括依次层叠的正极、隔膜、负极，其中正负极带有沟槽结构。
[0018]以电极与隔膜的接触面为基准平面，于基准平面上定义相互垂直的X轴与Y轴两个方向；定义垂直于电极表面且远离隔膜的方向为Z轴方向；其中电极包括正极与负极。
[0019]于正极面向隔膜的表面沿X轴方向均匀设有两组以上的相间隔的凹槽行，每个X轴凹槽行均包含2个以上沿Y轴方向依次间隔设置的凹槽，除凹槽处外，面向隔膜的电极原表面保留部分形成孤岛表面A，孤岛表面的几何中心为AC；凹槽底面形成新的电极表面B，凹槽底面几何中心为BC。
[0020]于负极面向隔膜的表面沿X轴方向均匀设有两组以上的相间隔的凹槽行，每个X轴凹槽行均包含2个以上沿Y轴方向依次间隔设置的凹槽，除凹槽处外，面向隔膜的电极原表面保留部分形成孤岛表面D，孤岛表面的几何中心为DC；凹槽底面形成新的电极表面E，凹槽底面几何中心为EC。
[0021]其使用方法在于，正极和负极于隔膜两侧相对设置，从上向下观看，依次为正极、隔膜和负极；正极和负极分别向隔膜一侧表面投影，每行投影中正极孤岛表面与负极孤岛表面一一均匀交错分布，即正极孤岛表面几何中心AC与负极凹槽底面几何中心EC重合；负极孤岛表面几何中心DC与正极凹槽底面几何中心BC重合。
[0022]从X轴或Y轴的方向上看，正极孤岛AC投影行与负极孤岛DC投影行依次交替排列。
[0023]根据权利要求1所述的结构，其特征在于，从X轴或Y轴方向上观察，所述凹槽的垂直于X轴或Y轴方向的截面形状为矩形、梯形或异型体。
[0024]所述凹槽沿Z轴方向的深度尺寸为3mm。
[0025]将隔膜表面的四周的四个方向分别定义为左右上下；左右方向相反、上下方向相反，左右分别与上下方向相垂直；
[0026]对比例
[0027]组装锌溴液流电池正负极有效面积3*3cm2；极集流体材质为石墨，使用正负极未做任何处理的原始6mm碳毡，其电解液组成为0.8M MEP、2M ZnBr2、3M KCl组装双液流电池。充电电流密度为40mA/cm2，充电2.5h，充电截止电压2.5V；放电电流密度40mA/cm2，截止电压0.4V。由图4可以看出，在每次充电末期都会产生较大的极化，充电电压迅速飙升至2.5V；图5可以说明，充电尚未进行到预定的2.5h的充电时间就由于电压保护而停止充电。
[0028]实施例1
[0029]本专利技术的电极结构组装的锌溴液流电池正负极有效面积3*3cm2；极集流体材质为石墨；正负极均使用由X轴或Y轴方向观察带异形沟槽结构的碳毡，异形结构具体描述为直径为3mm的半圆两侧连接1/4直径为3mm的圆弧(不构成整个圆)，圆弧末端端点直线相连，半圆端指向Z轴方向，此种毡的结构如图1a,2a,3a所示；其电解液组成为0.8M MEP、2M ZnBr2、3M KCl组装双液流电池。充电电流密度为40mA/cm2，充电2.5h，充电截止电压2.5V；放电电
流密度40mA/cm2，截止电压0.4V。在每次充电末期都没有产生较大的极化，充电电压没有飙升至2.5V，电池循环稳定(大于30次稳定循环)；充电可以进行2.5h，且充电电压曲线平稳。该实施例可以充分的说明，正负极碳毡采用该结构设计与组装方法，在高面容量条件下性能优于没有经过任何处理的碳毡。
[0030]实施例2
[0031]本专利技术的电极结构组装的锌溴液流电池正负极有效面积3*3cm2；极集流体材质为石墨；正负极均使用由X轴方向或Y轴方向观察带异形沟槽结构的碳毡，两个直径为3mm的1/4圆对称连接在边长为3mm的正方形上，所组成的异形的3mm边长的远离孤岛面积方向，该所述电极结构如图1b,2b,3b所示；其电解液组成为0.8M MEP、2M ZnBr2、3M KCl组装双液流电池。充电电流密度为40mA/cm2，充电2.5h，充电截止电压2.5V；放电电流密度40mA/cm2，截止电压0.4V。在每次充电末期都没有产生较大的极化，电池循环稳定(大于30次稳定循环)，充电电压没有飙升至2.5V；充电可以进行2.5h，且充电电压曲线平稳。该对实施可以充分的说明，正负极碳毡采用该结构设计与组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌基单电池电极结构，锌基单电池包括依次层叠的正极、隔膜、负极，其特征在于：以电极与隔膜的接触面为基准平面，于基准平面上定义相互垂直的X轴与Y轴两个方向；定义垂直于电极表面且远离隔膜的方向为Z轴方向；其中电极包括正极与负极；于正极面向隔膜的表面沿X轴方向均匀设有两组以上的相间隔的凹槽行，每个X轴凹槽行均包含2个以上沿Y轴方向依次间隔设置的凹槽，除凹槽处外，面向隔膜的电极原表面保留部分形成孤岛表面A，孤岛表面的几何中心为AC；凹槽底面形成新的电极表面B，凹槽底面几何中心为BC；所有凹槽于正极表面投影的面积之和为正极一侧表面积80％至小于100％(优选90-95％)；于负极面向隔膜的表面沿X轴方向均匀设有两组以上的相间隔的凹槽行，每个X轴凹槽行均包含2个以上沿Y轴方向依次间隔设置的凹槽，除凹槽处外，面向隔膜的电极原表面保留部分形成孤岛表面D，孤岛表面的几何中心为DC；凹槽底面形成新的电极表面E，凹槽底面几何中心为EC；所有凹槽于负极表面投影的面积...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先锋，尹彦斌，张华民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：