堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑及電解液和金屬空氣電池

388 編輯：管理員來源：蔚藍(lán)(廣東)新能源科技有限公司

2024-03-12 17:17:11

權(quán)利要求書： 1.一種堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑，其特征在于，包括析氫抑制劑和堿性活化劑，所述析氫抑制劑選自葡萄糖、錳酸鉀或錫酸鈉中的任意一種，所述堿性活化劑選自檸檬酸鹽，所述檸檬酸鹽選自檸檬酸鈣，所述析氫抑制劑和所述堿性活化劑的用量比為1:3?

250。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑，其特征在于，所述析氫抑制劑的用量為0.02～1.5g/L；所述堿性活化劑的用量為1～5g/L。

3.一種堿性鋅空氣電池電解液，包括苛性堿溶液，其特征在于，還包括如權(quán)利要求1?2任一項(xiàng)所述的堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的堿性鋅空氣電池電解液，其特征在于，所述苛性堿溶液選自氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液。

5.一種金屬空氣電池，包括空氣電極和金屬電極，其特征在于，還采用如權(quán)利要求3?4任一項(xiàng)所述的堿性鋅空氣電池電解液。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬空氣電池，其特征在于，所述金屬電極選自鋅板。

說明書：堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑及電解液和金屬空氣電池

技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及金屬空氣電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑及電解液和金屬空氣電池。

背景技術(shù)[0002] 隨著能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)重，人類迫切需要研發(fā)出新的能源來替代傳統(tǒng)的燃料。金屬空氣電池由于其高比能量、低成本以及環(huán)保無污染等優(yōu)勢被廣泛研究。其中，金屬

鋅資源豐富以及價格低廉且反應(yīng)過程平穩(wěn)近年來不斷有科研工作者對鋅空氣電池開展研

究。

[0003] 堿性鋅空氣電池中活潑金屬鋅作為陽極，疏水透氣的氣體擴(kuò)散電極作為陰極，堿性(氫氧化鉀/氫氧化鈉)溶液作為電解質(zhì)。放電過程中鋅陽極被消耗，空氣中的氧氣通過空

氣電極進(jìn)入到達(dá)三相界面而發(fā)生氧還原反應(yīng)。堿性鋅空氣電池的主要特點(diǎn)是電池元件簡

單、陽極鋅板可以替換、操作靈活、安全性好、污染小，是一種很有市場前景的化學(xué)電源。但

是在堿性鋅空氣電池放電過程中，處于電解液中的鋅在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的同時還進(jìn)行著自

腐蝕反應(yīng)，鋅的自腐蝕不僅降低電池利用率，同時也降低電池比能量；此外，放電過程中電

解液鋅酸鹽濃度逐漸增加使得電解液壽命降低，實(shí)用性不強(qiáng)。

[0004] 因此，要提高堿性鋅空氣電池的實(shí)用性，關(guān)鍵需要開發(fā)合適的添加劑來減緩鋅陽極腐蝕及延長電解液壽命。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明的目的之一是提供一種堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑，提高放電過程中電池陽極效率及延長電解液使用時長。

[0006] 本發(fā)明的目的之二是提供一種電解液，采用上述堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑。

[0007] 本發(fā)明的目的之三是提供一種金屬空氣電池，采用上述電解液。[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑，其特征在于，包括析氫抑制劑和堿性活化劑。

[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑，包括析氫抑制劑和堿性活化劑，通過析氫抑制劑可以抑制放電過程中鋅的析氫自腐蝕，從而提高放電過

程中電池陽極效率，而采用堿性活化劑可絡(luò)合電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的鋅離子，有效減少鋅離子

和氫氧根生成鋅酸鹽，從而有效減緩電解液中氫氧根離子濃度的減少和鋅酸鹽對電解液的

負(fù)面影響，以延長電解液使用時長，兩者協(xié)同配合作用于電解液中，不僅可提高放電過程中

電池陽極效率，且能延長電解液使用時長。

[0010] 進(jìn)一步的，所述析氫抑制劑選自葡萄糖、錳酸鉀或錫酸鈉中的任意一種。其中，錳酸鉀的加入能使鋅電極的腐蝕電位負(fù)移，減少自腐蝕電流，從而降低析氫速率。錫酸鈉在電

極反應(yīng)過程中被還原成錫單質(zhì)沉積在鋅電極表面形成多孔型沉淀，達(dá)到降低自腐蝕速率的

作用。葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)中存在羥基基團(tuán)，基團(tuán)中的氧原子呈電負(fù)性，放電過程中的鋅電極

表面帶正電，葡萄糖分子通過結(jié)構(gòu)中氧原子呈電負(fù)性的羥基基團(tuán)與金屬表面原子形成化學(xué)

吸附，從而降低了金屬表面活性點(diǎn)的活性，有效減緩金屬的自腐蝕。由于葡萄糖分子中羥基

氧原子呈電負(fù)性，很難在空氣電極的陰極極化過程中吸附在電極表面，因此，堿液中葡萄糖

分子的存在不會影響空氣電極的極化過程。葡萄糖的抑制析氫主要是形成吸附，使用過程

中葡萄糖濃度不會減少，只需要少量便可起作用。鋅電極放電過程中形成的氧化鋅或氫氧

化鋅會附著在鋅板表面，不利于鋅的放電反應(yīng)，而葡萄糖的加入有利于吸附物從鋅電極表

面脫落，增大鋅電極與電解液接觸的面積，從而提高其放電電流密度。因此，優(yōu)選為葡萄糖

作為析氫抑制劑。

[0011] 進(jìn)一步的，所述堿性活化劑選自檸檬酸鹽。[0012] 進(jìn)一步的，所述檸檬酸鹽選自檸檬酸鈣、檸檬酸鈉或檸檬酸鉀中的任意一種。申請人發(fā)現(xiàn)，檸檬酸鈣作為堿性活化劑時，其更可有效延長堿性電解液的使用壽命。原因可能

是：檸檬酸鈉或檸檬酸鉀作為堿性活化劑，可絡(luò)合電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的鋅離子，有效減少鋅離

子和氫氧根生成鋅酸鹽，從而有效減緩電解液中氫氧根離子濃度的減少和鋅酸鹽對電解液

的負(fù)面影響；而采用檸檬酸鈣檸檬酸鈣作為堿性活化劑時，由于鈣離子的引入，能夠與進(jìn)入

到電解液中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，二氧化碳會優(yōu)先與鈣離子反應(yīng)生成沉淀，緩解電解液的

碳酸化，同時，鈣離子和氫氧根離子形成微溶的氫氧化鈣，當(dāng)開始極化后，氫氧根離子濃度

下降，氫氧化鈣溶解釋放出氫氧根離子，維持溶液pH，有效延長堿性電解液的使用壽命。因

此，堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑優(yōu)先采用檸檬酸鈣和葡萄糖的復(fù)配物。

[0013] 進(jìn)一步的，所述析氫抑制劑和所述堿性活化劑的用量比為1:3?250。[0014] 進(jìn)一步的，所述析氫抑制劑的用量為0.02～1.5g/L；所述堿性活化劑的用量為1～5g/L。

[0015] 對應(yīng)地，本申請還提供一種堿性鋅空氣電池電解液，包括苛性堿溶液和上述堿性鋅空氣電池電解液用復(fù)合添加劑。

[0016] 進(jìn)一步的，所述苛性堿溶液選自氫氧化鉀水溶液或氫氧化鈉水溶液。[0017] 進(jìn)一步的，本申請還提供一種金屬空氣電池，包括空氣電極和金屬電極及上述的堿性鋅空氣電池電解液。

[0018] 進(jìn)一步的，所述金屬電極選自鋅板。附圖說明[0019] 圖1展示實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3及對比例1的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線圖。

[0020] 圖2展示實(shí)施例1、對比例1、對比例2及對比例3的堿性鋅空氣電池電解液的恒電流極化曲線。

[0021] 圖3展示實(shí)施例1、對比例1、對比例2及對比例3的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線。

[0022] 圖4展示實(shí)施例1、實(shí)施例6和對比例1的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線。

具體實(shí)施方式[0023] 下面結(jié)合附圖通過具體實(shí)施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。

[0024] 實(shí)施例1[0025] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，稱為電解液1，該堿性鋅空氣電池電解液包括6mol/L的KOH、0.02g/L的葡萄糖和4g/L的檸檬酸鈣。

[0026] 將電解液1用于鋅空氣電池進(jìn)行恒功率放電測試，按100mW/cm2的功率密度進(jìn)行4W恒功率放電測試直至電壓降至0.8。鋅空氣電池平均電壓為1.039，滿功率放電時長為

147min，鋅板比能量為0.963Wh/g。

[0027] 實(shí)施例2[0028] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，稱為電解液2，該堿性鋅空氣電池電解液包括6mol/L的KOH、0.197g/L的錳酸鉀和4g/L的檸檬酸鈣。

[0029] 實(shí)施例3[0030] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，稱為電解液3，該堿性鋅空氣電池電解液包括6mol/L的KOH、1g/L的錫酸鈉和4g/L的檸檬酸鈣。

[0031] 實(shí)施例4[0032] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，該堿性鋅空氣電池電解液包括6mol/L的KOH、0.05g/L的葡萄糖和2g/L的檸檬酸鈣。

[0033] 實(shí)施例5[0034] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，該堿性鋅空氣電池電解液包括6mol/L的KOH、1.2g/L的葡萄糖和5g/L的檸檬酸鈣。

[0035] 實(shí)施例6[0036] 該實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同點(diǎn)在于，本實(shí)施例中檸檬酸鹽采用檸檬酸鉀，而實(shí)施例1中檸檬酸鹽采用檸檬酸鈣，其余均相同，在此不再闡述。

[0037] 對比例1[0038] 制備124mL的堿性鋅空氣電池電解液，稱為電解液4，該堿性鋅空氣電池電解液不包括析氫抑制劑和堿性活化劑，作為空白對照組，只含6mol/L的KOH。

[0039] 對比例2[0040] 該對比例與實(shí)施例1基本相同，不同在于：對比例2的堿性鋅空氣電池電解液不包括堿性活化劑檸檬酸鈣，只含6mol/L的KOH和0.02g/L的葡萄糖。

[0041] 對比例3[0042] 該對比例與實(shí)施例1基本相同，不同在于：對比例3的堿性鋅空氣電池電解液不包括析氫抑制劑葡萄糖，只含6mol/L的KOH和4g/L的檸檬酸鈣。

[0043] 將上述堿性鋅空氣電池電解液用于鋅空氣電池進(jìn)行恒功率放電測試和恒電流放電測試。

[0044] 恒功率放電測試：測試儀器為新威爾充放電測試儀，正極為空氣電極(有效面積為2 2

40cm)，負(fù)極為鋅板，按100mW/cm的功率密度進(jìn)行恒功率(4W)放電測試直至電壓降至0.8。

[0045] 恒電流放電測試：測試儀器為科思特雙恒電位儀，工作電極為鋅電極，參比電極為2

汞/氧化汞電極，對電極為鉑電極，設(shè)置鋅電極在100mA/cm電流密度下恒電流極化，截止時

間為300s。

[0046] 請參考圖1，展示實(shí)施例1(電解液1)、實(shí)施例2(電解液2)、實(shí)施例3(電解液3)及對比例1(電解液4)的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線。由圖1的數(shù)據(jù)可知，使用電解

液1的堿性鋅空氣電池平均電壓為1.039，滿功率放電時長為147min，鋅板比能量為

0.963Wh/g；使用電解液2的堿性鋅空氣電池平均電壓為1.039，滿功率放電時長為130min，

鋅板比能量為0.871Wh/g；使用電解液3的鋅空氣電池平均電壓為1.012，滿功率放電時長

為115min，鋅板比能量為0.855Wh/g；使用電解液4的鋅空氣電池平均電壓為1.017，滿功率

放電時長為111min，鋅板比能量為0.848Wh/g?？梢?，析氫抑制劑和堿性活化劑的加入可提

高放電滿功率時長和比能量，且由鋅空氣電池恒功率放電滿功率時長和比能量可知，使用

含復(fù)合添加劑葡萄糖和檸檬酸鈣的鋅空氣電池放電性能最好。

[0047] 請參考圖2，展示實(shí)施例1(空白+葡萄糖+檸檬酸鈣)、對比例1(空白)、對比例2(空白+葡萄糖)及對比例3(空白+檸檬酸鈣)的堿性鋅空氣電池電解液的恒電流極化曲線。由圖

2

2數(shù)據(jù)可知，采用空白組電解液(即對比例1)，鋅板在100mA/cm 電流密度下平均電位約?

2

1.332；采用對比例2電解液，鋅板在100mA/cm電流密度下平均電位約?1.307；采用對比

2

例3電解液，鋅板在100mA/cm電流密度下平均電位約?1.359；采用實(shí)施例1的電解液，鋅板

2

在100mA/cm電流密度下平均電位約?1.349。表明在電解液中單獨(dú)加入葡萄糖，鋅板電位

正移，葡萄糖抑制了鋅板活性，可以降低析氫；在電解液中單獨(dú)添加檸檬酸鈣，相同放電條

件下鋅板電位較空白組負(fù)移，表明檸檬酸鈣增加電解液活性；同時加入葡萄糖和檸檬酸鈣，

相同放電電流密度下鋅板電位較空白組時負(fù)移，表明葡萄糖和檸檬酸鈣的加入不僅抑制了

鋅板析氫，且總的電化學(xué)反應(yīng)活性是增強(qiáng)的。

[0048] 請參考圖3，展示實(shí)施例1(空白+葡萄糖+檸檬酸鈣)、對比例1(空白)、對比例2(空白+葡萄糖)及對比例3(空白+檸檬酸鈣)的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線。由圖

3數(shù)據(jù)可知，使用實(shí)施例1的堿性鋅空氣電池的滿功率放電時長為147min；使用對比例1的堿

性鋅空氣電池的滿功率放電時長為111min；使用對比例2的堿性鋅空氣電池的滿功率放電

時長為104min；使用對比例3的堿性鋅空氣電池的滿功率放電時長為170min。表明在電解液

中單獨(dú)加入析氫抑制劑葡萄糖，抑制鋅板析氫的同時會降低電池的總活性，滿功率時長降

低；單獨(dú)加入檸檬酸鈣，能增加電解液活性，增加電池滿功率時長；由圖2?圖3所示可知，同

時加入葡萄糖和檸檬酸鈣，抑制析氫的同時增加電解液活性，總的效果是增加電池的反應(yīng)

活性。

[0049] 請參考圖4，展示實(shí)施例1(空白+葡萄糖+檸檬酸鈣)、實(shí)施例6(空白+葡萄糖+檸檬酸鉀)和對比例1(空白)的堿性鋅空氣電池電解液的恒功率放電曲線。由圖4數(shù)據(jù)可知，使用

對比例1的堿性鋅空氣電池滿功率放電時長為111min；使用實(shí)施例1的堿性鋅空氣電池滿功

率放電時長為147min；使用實(shí)施例6的堿性鋅空氣電池滿功率放電時長為124min。表明在電

解液中加入葡萄糖和檸檬酸鈣復(fù)合添加劑、葡萄糖和檸檬酸鉀復(fù)合添加劑，都能延長電池

的滿功率放電時長，但是葡萄糖和檸檬酸鈣復(fù)合添加劑的效果更優(yōu)，因此，堿性鋅空氣電池

電解液用復(fù)合添加劑優(yōu)先采用檸檬酸鈣和葡萄糖的復(fù)配物。

[0050] 應(yīng)當(dāng)指出，以上具體實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落入本申請所附權(quán)

利要求限定的范圍。