專利名稱：一種堿性鋅電池負極電解液及其制備方法與應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堿性鋅電池制造技術(shù)，特別涉及一種堿性鋅電池負極電解液及其制備 方法與應用。
背景技術(shù)：
堿性鋅電池有性價比高、功率高、原材料成本低、使用方便等特點，被廣泛用于民 用電器。至今堿性鋅錳電池仍然是使用最廣，產(chǎn)量、產(chǎn)值最大的一種電池；而可充鋅鎳電池、 鋅空氣電池應用也越來越廣泛，發(fā)展?jié)摿薮?。隨著社會科技的迅猛發(fā)展，人們對電池性能 要求越來越高，但堿性電池仍然存在不足，這些不足的產(chǎn)生都與電解液的性能息息相關(guān)，性 能優(yōu)良的電解液能解決電池氣脹、爬堿、自放電等嚴重問題，提高電池壽命，延長電池架上 時間；能提高活性物質(zhì)利用率；還能改善鋅的沉積形態(tài)，避免沉積鋅因枝晶生長穿透隔膜 而導致電池短路的問題，鋅沉積形態(tài)的改善又有利于實現(xiàn)堿性電池的二次化。為了解決堿性鋅電池自放電的問題，提高其放電性能，人們對電解液進行了許多 研究。傳統(tǒng)方法是在負極電解液中加入汞，但是汞是一種劇毒物質(zhì)，對人體健康和生態(tài)環(huán)境 都帶來嚴重危害，不符合環(huán)保理念，無論是對電池的發(fā)展還是人類社會的發(fā)展都是一種阻 礙。因此，尋找能代替含汞負極電解液，又能符合環(huán)保要求的新型負極電解液是堿性鋅電池 得以繼續(xù)向前發(fā)展的前提。人們對無汞負極電解液進行了大量研究，主要思路為在負極電解液中加入無機 或有機化合物。專利號為 03801019. 4,200510090121. 0ZL200410026985. 1,200610037178. 9 等中國專利、專利號為3317526的日本專利采取的技術(shù)手段是在負極電解液中添加無機化 合物，如鋁、銦、鉍化合物等。而專利號為200810057922.0的中國專利、專利號為1457760 的蘇聯(lián)專利及文獻 Z. Baohong, Ch. Meng, X. Dongari and W. Yingdong, Ext. Abstr,46th ISE Meet, Xiamen, P. R. China，1995，2，5 43等采取的技術(shù)手段是在負極電解液中加入有機 物，如聚丙烯酸酯、季銨鹽、脂肪酸鹽、脂肪酸酯等。目前為止，研究較多的是含單一有機物 或無機物的負極電解液，雖然這些負極電解液對電池性能有一定改善，但存在一定缺陷， 難以達到預期效果，負極電解液中的某些無機物如鉻酸鹽、亞硝酸鹽、含鉛化合物有毒，對 環(huán)境和人體有一定危害，而某些無機物如銦的氧化物及氫氧化物效果明顯，但價格比較昂 貴，此外，大多數(shù)有效無機物雖然可以提高析氫過電位，改善鋅的沉積形態(tài)，但對鋅溶解的 影響卻遠遠不及有機緩蝕劑。而有機物雖然可以提高氫過電位，阻滯鋅的自溶，但也存在 著強極化情況下被氧化及如何進一步改善其有效吸附的問題。由此可見，含單一添加劑負 極電解液很難達到理想效果，解決問題的最佳方法是采用復合配方。復合配方通過協(xié)同作 用，彌補單一物質(zhì)的不足，有助于減少貴重物質(zhì)的使用量、降低費用和提高效率。申請?zhí)枮?200910193636. 1的中國專利申請采取的技術(shù)手段是在負極電解液中添加聚乙二醇和咪唑 以提高電解液性能，但咪唑有毒，對皮膚、粘膜都有刺激性和腐蝕性，力求尋找高效、無毒、 對環(huán)境友好的復合添加劑這一舉措有利于提高堿性鋅電池負極電解液性能的提高，有利于 堿性鋅電池的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的在于提供一種用于堿性鋅電池負極電解液，以避免使用汞等有 害金屬及銦等貴金屬。本發(fā)明的另一目的在于提供用于所述堿性鋅電池負極電解液的制備方法。本發(fā)明的再一目的在于提供所述堿性鋅電池負極電解液的應用。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種堿性鋅電池負極電解液，由以下按質(zhì) 量百分比計的成分組成氫氧化鉀 40 44%氧化鋅5 6% 復配添加劑 0. 05 0. 2 %水50. 5 55%;所述復配添加劑由聚乙二醇和吐溫按質(zhì)量比1 2 2 1組成；所述的聚乙二醇包含PEG200、PEG400、PEG600 和 PEG800 等；優(yōu)選 PEG600 ；所述的吐溫包含吐溫20、吐溫40、吐溫60和吐溫80等，但并不限定于這些，其中， 優(yōu)選吐溫20 ；所述堿性鋅電池負極電解液的制備方法，包括以下步驟(1)用質(zhì)量百分比為50. 5 55%的水將質(zhì)量百分比為40 45%氫氧化鉀和質(zhì)量 百分比為5 6%的氧化鋅溶解，得到堿性電解質(zhì)溶液；(2)將質(zhì)量百分比為0. 05 0. 2%的復配添加劑均勻分散在步驟(1)制備的堿性 電解質(zhì)溶液中，制得所述堿性鋅電池負極電解液；步驟(1)中所述水優(yōu)選分為兩部分，先用一部分水將氫氧化鉀和氧化鋅溶解后再 加入另一部分水；所述的堿性鋅電池負極電解液可以應用于所有堿性鋅電池中；所述的堿性鋅電池優(yōu)選為扣式堿性鋅錳電池；所述的扣式堿性鋅錳電池包含正極蓋、負極蓋、膠圈、正極電解液、堿性鋅電池負 極電解液、正極錳餅和負極鋅膏；所述的正極電解液優(yōu)選為質(zhì)量百分比為40 45%的氫氧化鉀水溶液；所述鋅膏優(yōu)選為由質(zhì)量百分比95%的無汞鋅粉、質(zhì)量百分比3. 5%的羧甲基纖維 素CMC、質(zhì)量百分比的膨脹劑聚丙烯酸鈉(QP-3)和質(zhì)量百分比0. 5%的氧化鋅組成；所述扣式堿性鋅錳電池制作步驟如下預處理正負極蓋，將錳餅置于正極蓋中，注 入正極電解液，再將隔膜置于錳餅上，將鋅膏置于負極蓋中，注入堿性鋅電池負極電解液， 再將負極蓋置于正極蓋之上，壓實后在手動沖壓機下沖壓成成品電池。本發(fā)明的原理本發(fā)明將聚乙二醇和吐溫添加于堿性負極電解液中，由于聚乙二 醇為含聚氧乙烯基的長直鏈表面活性劑，在鋅活性物質(zhì)表面吸附時，能形成較厚隔離層；而 吐溫含有多個支鏈含聚氧乙烯基，在鋅表面能多中心吸附，增加表面覆蓋度。當聚乙二醇和 吐溫復配使用時，二者在結(jié)構(gòu)上互補，能發(fā)揮協(xié)同作用，減少用量。它們吸附于鋅負極材料 表面活性位點處，能大大降低鋅負極腐蝕的程度，提高了活性物質(zhì)和電解液的利用率，延長 電池儲存和使用過程中的壽命。此外，二者的復配使用能改善鋅沉積形態(tài)，避免鋅枝晶的形
4成，延長電池使用壽命。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果(1)本發(fā)明所述的堿性鋅電池負極電解液的組成成分對環(huán)境友好，且價格低、用量 少、效率高，不含汞、鉛、鎘、鉍等重金屬和銦等貴金屬，有利于環(huán)保，降低生產(chǎn)成本，市場潛 力大。(2)使用本發(fā)明所述的堿性鋅電池負極電解液，有如下優(yōu)點電池負極蓋或集流 體無需電鍍或置換鍍銦等稀有貴金屬，鋅粉中無需添加汞、銦、鉛、鎘等重金屬或有害金屬， 鋅膏中無需添加氧化銦、氫氧化銦、鉛的化合物、汞及其化合物等稀有貴金屬化合物和污染 環(huán)境的物質(zhì)，電解液中無須添加價格昂貴的有機添加劑，用該負極電解液組裝成的扣式堿 性鋅錳電池在氣脹方面完全達到電池國標高度的要求，與普通電池(即負極蓋鍍銦，鋅膏 中添加氧化鉛、氧化銦)相比，放電容量還有提高，因此本發(fā)明可以簡化電池生產(chǎn)工序，提 高電池的生產(chǎn)效率，此外還可有效減少廢棄電池對環(huán)境的污染，對環(huán)境友好，生產(chǎn)成本也能 大大降低，這有利于大規(guī)模地推廣應用于電池的生產(chǎn)制造過程。
圖1是實施例1 3制備的AG13扣式堿性鋅錳電池分別在57°C環(huán)境下的氣脹測
試結(jié)果。圖2是實施例1制備的AG13扣式堿性鋅錳電池與其同規(guī)格普通AG13扣式堿性鋅 錳電池在ImA連續(xù)放電條件下的放電曲線。圖3是實施例2制備的AG13扣式堿性鋅錳電池與其同規(guī)格普通AG13扣式堿性鋅 錳電池在ImA連續(xù)放電條件下的放電曲線。圖4是實施例3制備的AG13扣式堿性鋅錳電池與其同規(guī)格普通AG13扣式堿性鋅 錳電池在ImA連續(xù)放電條件下的放電曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。實施例1(1)負極電解液配制將1. 38g氧化鋅和10. Ig氫氧化鉀加入到7g第一次純水 中，攪拌至溶液澄清，再加入4. 7g第二次純水，制得堿性電解質(zhì)溶液，然后將復配添加劑 0.023g (吐溫20和聚乙二醇600按質(zhì)量比1 2)均勻分散在堿性電解質(zhì)溶液中，制得堿性 鋅電池負極電解液。(2)正極電解液配制往4.2g第一次純水中加入5.8g氫氧化鉀，攪拌冷卻至室 溫，再加入2. 8g第二次純水，制得質(zhì)量百分比為45%的堿性鋅電池正極電解液。(3)正負極蓋及膠圈處理正極蓋用丙酮超聲清洗4min后，取出用水清洗后，在真 空中烘干。負極蓋用0. IM稀硫酸超聲清洗9min后，用水清洗后立即風干。用850濃膠水 (由甲苯、異丙醇和304膠水按質(zhì)量比1 1 2調(diào)配而成)涂抹負極蓋周圍，放置3h，用 稀膠水(由甲苯、異丙醇和850濃膠水按質(zhì)量比20 20 1調(diào)配而成)浸泡膠圈9min，取 出晾干。
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(4)電池裝配將0. 67g的錳餅置于正極蓋中，注入0. 062g步驟(2)所制正極電 解液，再將隔膜置于錳餅上，將0. 235鋅膏(由95%無汞鋅粉3. 5%羧甲基纖維素CMC、1% 膨脹劑聚丙烯酸鈉(QP_3)、0.5%氧化鋅組成)置于負極蓋中，注入0. 114g步驟(1)制備的 負極電解液，再將負極蓋置于正極蓋之上，壓實后在手動沖壓機下沖壓成成品電池。實施例2(1)負極電解液配制將1.2g氧化鋅和9.5g氫氧化鉀加入到7.3g第一次純 水中，攪拌至溶液澄清，再加入5g第二次純水，制得堿性電解質(zhì)溶液，然后將復配添加劑 0. 0115g(吐溫20和聚乙二醇600按質(zhì)量比1 1)均勻分散在堿性電解質(zhì)溶液中，制得堿 性鋅電池負極電解液。(2)正極電解液配制往4. 4g第一次純水中加入5.5g氫氧化鉀，攪拌冷卻至室 溫，再加入2. 9g第二次純水，制得質(zhì)量百分比為43%的堿性鋅電池正極電解液。(3)正負極蓋及膠圈處理正極蓋用丙酮超聲清洗7min后，取出用水清洗后，在真 空中烘干。負極蓋用0.3M稀硫酸超聲清洗6min后，用水清洗后立即風干。用濃膠水(同 實施例1)涂抹負極殼周圍，放置4h，用稀膠水(同實施例1)浸泡膠圈12min，取出晾干。(4)電池裝配將0. 69g的錳餅置于正極蓋中，注入0. 064g步驟⑵所制正極電解 液，再將隔膜置于錳餅上，將0. 245g鋅膏(同實施例1)置于負極蓋中，注入0. 115g步驟(1) 所制負極電解液，再將負極蓋置于正極蓋之上，壓實后在手動沖壓機下沖壓成成品電池。實施例3(1)負極電解液配制將1. 16g氧化鋅和9. 22g氫氧化鉀加入到7. 48g第一次純 水中，攪拌至溶液澄清，再加入5. 12g第二次純水，制得堿性電解質(zhì)溶液，然后將復配添加 劑0.046g(吐溫20和聚乙二醇600按質(zhì)量比2 1)均勻分散在堿性電解質(zhì)溶液中，制得 堿性鋅電池負極電解液。(2)正極電解液配制往4. Ig第一次純水中加入5. 12g氫氧化鉀，攪拌冷卻至室 溫，再加入3. 58g第二次純水，制得質(zhì)量百分比為40%的堿性鋅電池正極電解液。(3)正負極蓋及膠圈處理正極蓋用丙酮超聲清洗9min后，取出用水清洗后，在真 空中烘干。負極蓋用0.5M稀硫酸超聲清洗4min后，用水清洗后立即風干。用濃膠水(同 實施例1)涂抹負極蓋周圍，放置5h，用稀膠水(同實施例1)浸泡膠圈15min，取出晾干。(4)電池裝配將0. 71g的錳餅置于正極蓋中，注入0. 066g步驟⑵所制正極電 解液，再將隔膜置于錳餅上，將0. 255g的鋅膏(同實施例1)置于負極蓋中，注入0. 116g步 驟(1)所制負極電解液，再將負極蓋置于正極蓋之上，壓實后在手動沖壓機下沖壓成成品 電池。實施例制備的扣式堿性鋅錳電池的效果檢驗含吐溫20和聚乙二醇600復配添加劑負極電解液抑制電池自放電及對電池 放電的影響將實施例1 3裝配好的AG13扣式堿性鋅錳電池置于溫度恒定為57°C的恒溫 箱中10天，用游標卡尺分別測試電池的氣脹高度，利用land電池測試系統(tǒng)測試電池性能， 比較相同放電制度下，用實施例所裝電池與同規(guī)格普通電池放電容量，結(jié)果如圖1 4。從 圖1可以看出，實施例1 3組裝的AG13扣式堿性鋅錳電池氣脹程度均較電池國標高度上 限0. 25mm低，氣脹程度符合要求。從圖2 4看出，實施例1 3組裝的AG13扣式堿性鋅 錳電池在ImA連續(xù)放電至0. 9V時均較同規(guī)格普通AG13電池放電容量高，說明以本發(fā)明技
6術(shù)組裝的電池性能優(yōu)于同規(guī)格普通電池。 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種堿性鋅電池負極電解液，其特征在于由以下按質(zhì)量百分比計的成分組成氫氧化鉀 40～44％氧化鋅5～6％復配添加劑0.05～0.2％水50.5～55％；所述復配添加劑由聚乙二醇和吐溫按質(zhì)量比1∶2～2∶1組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿性鋅電池負極電解液，其特征在于 所述的聚乙二醇為 PEG600。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述堿性鋅電池負極電解液，其特征在于所述的吐溫為吐溫20。
4.權(quán)利要求1 3任一項所述堿性鋅電池負極電解液的制備方法，其特征在于包括以 下步驟(1)用質(zhì)量百分比為50.5 55%的水將質(zhì)量百分比為40 44%氫氧化鉀和質(zhì)量百分 比為5 6%的氧化鋅溶解，得到堿性電解質(zhì)溶液；(2)將質(zhì)量百分比為0.05 0. 2%的復配添加劑均勻分散在步驟(1)制備的堿性電解 質(zhì)溶液中，制得所述堿性鋅電池負極電解液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述堿性鋅電池負極電解液，其特征在于步驟(1)中所述的水分 為兩部分，先用一部分水將氫氧化鉀和氧化鋅溶解后再加入另一部分水。
6.權(quán)利要求1 3任一項所述堿性鋅電池負極電解液的應用，其特征在于所述的堿 性鋅電池負極電解液用于堿性鋅電池中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應用，其特征在于所述的堿性鋅電池為扣式堿性鋅錳電池； 扣式堿性鋅錳電池包含正極蓋、負極蓋、膠圈、正極電解液、堿性鋅電池負極電解液、正極錳 餅和負極鋅膏；正極電解液為質(zhì)量百分比為40 45%的氫氧化鉀水溶液；鋅膏為由質(zhì)量百 分比95%的無汞鋅粉、質(zhì)量百分比3. 5%的羧甲基纖維素CMC、質(zhì)量百分比的膨脹劑聚 丙烯酸鈉QP-3和質(zhì)量百分比0. 5%的氧化鋅組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應用，其特征在于所述扣式堿性鋅錳電池的制作步驟如下 預處理正負極蓋，將錳餅置于正極蓋中，注入正極電解液，再將隔膜置于錳餅上，將鋅膏置 于負極蓋中，注入堿性鋅電池負極電解液，再將負極蓋置于正極蓋之上，壓實后在手動沖壓 機下沖壓成成品電池。氫氧化鉀 氧化鋅 復配添加劑 水、40 44% 5 6% 0. 05 0. 2% 50. 5 55% ；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種堿性鋅電池負極電解液及其制備方法與應用。本發(fā)明所述的堿性鋅電池負極電解液由40～44％的氫氧化鉀、5～6％的氧化鋅、0.05～0.2％的復配添加劑和50.5～55％的水組成，其中，復配添加劑由聚乙二醇和吐溫組成。該負極電解液可用于堿性鋅電池中，其能極大降低堿性鋅電極的腐蝕，改善電池性能，提高電池性能，同時能避免電解液中使用汞、銦等有害、貴重金屬以及咪唑等有機物。添加該負極電解液電池與普通電池相比，放電容量有一定提高。因此，使用本發(fā)明所述的堿性鋅電池負極電解液環(huán)保，生產(chǎn)成本低，市場潛力大。
文檔編號H01M10/24GK101969144SQ20101025970
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者周合兵, 李偉善, 林海斌, 梁曼, 洪淑娜, 蘇卓健 申請人:華南師范大學