空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)對(duì)鋅空氣扣式電池性能的影響

　　鋅空氣電池具有比容量大、比能量高、放電性能穩(wěn)定、原材料便宜易得、生產(chǎn)和使用過程均無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)小型或微型電器來說，扣式鋅空氣電池?zé)o疑是很理想的電池，很有發(fā)展前途。

　　但是，目前還存在放電電流密度小、漏液爬堿、電解液碳酸化以及使用壽命短等問題。迄今國內(nèi)外關(guān)于空氣擴(kuò)散電極的結(jié)構(gòu)與扣式鋅空氣電池性能之間關(guān)系的研究報(bào)道較少。本文通過改變空氣電極的結(jié)構(gòu)測試空氣電極的透氣性能、極化曲線、放電性能等方法，較系統(tǒng)地研究了空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)與扣式鋅空氣電池性能之間的關(guān)系。

　　1 實(shí)驗(yàn)

　　1.1 空氣擴(kuò)散電極的制備

　　1.1.1 單層膜空氣擴(kuò)散電極的制備

　　空氣擴(kuò)散電極所用的催化劑為溶膠。凝膠法制備的LiMn2-xCoxO4（X=O.01-0.5），粘接劑是同含量為60％的聚四氟乙烯（PTFE）孚L液，造孔劑為無水硫酸鈉（Na2SO4）。

　　將活性炭、乙炔黑、PTFE、無水硫酸鈉與催化劑按一定比例混合，以乙醇作分散劑，攪拌至糊狀后輥壓成型，制得催化透氣膜。把催化透氣膜與集流網(wǎng)（泡沫鎳）疊合后輥壓成型，80℃條件下干燥30mins即得單層膜空氣擴(kuò)散電極El。

　　1.1.2 雙層膜和三層膜空氣擴(kuò)散電極的制備

　　將活性炭、PTFE-孚乳液、無水硫酸鈉和催化劑按一定比例混合，以乙醇作分散劑，加熱攪拌至糊狀后輥壓成催化膜；將乙炔黑、PTFE-孚L液與無水硫酸鈉混合，以同樣的方法制成防水透氣膜；采用疊合后輥壓成型的方法制備出如圖1所示三種不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極。

　　1.2 空氣電極透氣性能的測試

　　采用圖2所示的裝置測定本文所制備的空氣擴(kuò)散電極的透氣性能。空氣電極的有效面積為706mm2，進(jìn)氣口的氧氣壓力為0.15MPa。通氣后，測量在lmin內(nèi)所排出水的體積。

圖1 空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 空氣擴(kuò)散電極的透氣性能測試裝置

　　1.3 空氣擴(kuò)散電極的電流一電壓極化曲線的測試

采用空氣電極為工作電極，Hg／HgO電極為參比電極，鎳網(wǎng)為對(duì)電極的三電極體系，電解質(zhì)溶液為7mol／l的KOH溶液，在CHI.660B電化學(xué)工作站（上海辰華公司）測試空氣電極的穩(wěn)態(tài)電流一電壓極化曲線（電位掃描速度為5mV／s）。

　　1.4 鋅空氣扣式電池樣品的制備及其放電性能的測定

鋅空氣扣式電池樣品采用外氧式結(jié)構(gòu)，以鋅膏為負(fù)極，堿性鋅錳電池用的復(fù)合膜為隔膜，與不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極一起分別裝配成扣式鋅空氣電池樣品。用恒阻放電法測定其放電性能，放電電阻為680Q，終止電壓為0.9V。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極透氣性的影晌

　　為了考察不同空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)對(duì)其透氣性能的影響，電極的化學(xué)組成和制作工藝條件都相同的條件下，對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極E1、E2、E3和E4分別進(jìn)行透氣性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極的透氣性能

　　由表1可見，排水體積由大到小依次為El、E2、E3和E4，這說明單層膜電極E1的透氣性能最好，雙層膜電極E2次之，雙層膜電極E3第三，三層膜電極E4的透氣性最差。這是因?yàn)镋1只有一層防水透氣膜，內(nèi)阻和傳質(zhì)阻力最小；E4包含兩層防水透氣膜和一層催化膜，層數(shù)最多，傳質(zhì)阻力最大，因而空氣擴(kuò)散性最差。E2和E3相比較，由于前者具有網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)的集流體直接與空氣接觸，減小了氣相傳質(zhì)阻力，因而透氣性稍好于后者。

　　2.2 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極電性能的影響

　　為了考察不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極與其電性能的影響，我們用三電極體系分別測定了四種空氣擴(kuò)散電極的穩(wěn)態(tài)電流一電壓極化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，在相同的極化電位下，放電電流密度由大到小依次為E1、E2、E3和E4。這可能是因?yàn)镋1只有單層的催化透氣膜存在，空氣擴(kuò)散性相對(duì)最好，所以其放電電流密度最大；E4有兩層防水透氣膜和一層催化膜，空氣擴(kuò)散性相對(duì)最差，氣相傳質(zhì)阻力相對(duì)最大，氣體在催化劑表面的擴(kuò)散和吸附受阻，氣體流量不能給電化學(xué)反應(yīng)提供足夠的氧氣，從而使電極的極化內(nèi)阻增大，影響催化劑的催化性能和效率，故其放電電流密度最?。浑姌OE2的透氣性稍好于電極E3，在反應(yīng)區(qū)域能形成更多的三相反應(yīng)界面，故前者的電流密度稍大于后者。

圖3 不同結(jié)構(gòu)空氣擴(kuò)散電極的穩(wěn)態(tài)電流-電壓極化曲線

　　由圖3還可以看出，在低電流密度區(qū)域，四種不同結(jié)構(gòu)電極的極化程度相差并不大，隨著電流密度的增大，透氣性較差的電極表現(xiàn)出更大的陰極極化，表明電極的透氣性對(duì)電極的性熊有顯著的影鐫，在低電流密度下影響較小，在高逛流密度下影漩較大，應(yīng)裰據(jù)電祓的不霹應(yīng)震場合來籍備具有相應(yīng)透氣性能的空氣擴(kuò)散電極。

　　2.3 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極漏液性能的影響

　　為了考察結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極防漏液性能的影響，將其分割組裝成擺式鋅空氣電濁，觀察結(jié)果如表2所示，三層膜空氣擴(kuò)散電極E4具有較好的防漏液性能，這是因?yàn)槠淇諝鈹U(kuò)散電極有兩層防水透氣膜，大大提高了鋅空氣邀波麓蒴漏液性能。單層膜趣極翡防漏液性能相對(duì)較差。

表2 不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極對(duì)漏液的影響

　　2.4 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極所褥扣式鋅空氣電池放電性能影響

　　為了考察結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極所得扣式鋅空氣電極放電性能的影響，我們以相同的制造工藝、鋅膏負(fù)極質(zhì)最、隔膜材料和電池殼，分別與不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極裝配成扣式鋅空氣電池，用恒阻放電法瀏定其放電性能，放電電阻為680Q，終止電壓為0.9V，結(jié)果如圖4所示。

　　由圖4可以看出，具有雙層膜電極E2的扣式鋅空氣電池放電時(shí)間為226h，平均工作電壓為1.21V，這是因?yàn)殡姌OEl在放電過程中漏液現(xiàn)象較明顯，降低了三相界面的使用效率，因而放電性能較差；E4雖然在放電過程中無漏液現(xiàn)象，但由于其空氣擴(kuò)散電極的層數(shù)較多，空氣擴(kuò)散性差，故其放電性能較差；由于扣式鋅空氣電池使用小電流放電，空氣擴(kuò)散電極透氣性對(duì)電極的性能影響較小，所以雙層膜電極E2和E3呈現(xiàn)較高的平均工作電壓；而雙層膜電極E2和E3相比較，由于在電極E2的結(jié)構(gòu)中，集流網(wǎng)被放餐在疏水層一側(cè)，使電解液對(duì)集流網(wǎng)的腐蝕減少到最小；同時(shí)，疏水層與催化層直接接觸，在壓力作用下結(jié)合較好，避免出現(xiàn)電極剝離的情況，延長了電極的使用壽命，故具有最長的放電時(shí)間。

圖4 扣式鋅空氣電池恒阻放電曲線

　　3 結(jié)論

　?。?）單層膜空氣擴(kuò)散電極其有較好的透氣性能；在相同的極化電位下，單層膜電投E2的極化電流密度最大。

　　（2）三層膜空氣擴(kuò)散電極具有最優(yōu)的防漏液性能；

　?。?）雙層膜電極E2有較好的透氣性、較高的放電電流密度移防漏液性能良好，具有最高的平均工作電壓和最長的放電時(shí)間。