动力电池研发的关键性因素探索

面向空气的一面，同样将催化剂A 涂于泡沫镍面向电解液的一面，涂抹的标准以催化物质填塞进泡沫镍微孔，目视泡沫镍表面，可见光滑、均匀、平整为宜。涂抹后，将酒精喷于电极两表面，以分散聚四氟乙烯乳液，然后将制作好的泡沫镍电极置入烘箱内，在150℃下烘30 min，冷却后取出。

　　1.1 制作敷膜与不敷膜电极

　　水平式锌空气动力电池的典型特征是空气经过电极的空气面扩散进入反应区域，参与电化学反应。我们制作了气体扩散电极的空气面敷有聚四氟乙烯膜和不敷膜的两种电极，以考察空气经电极表面以不同扩散方式和途径，参与电化学反应的特征。

　　我们将按照以上描述方式制作的电极从烘箱取出后，取一只电极，在其面向空气的一面涂敷一层0.1 mm 厚的聚四氟乙烯膜（上海华华邺明氟塑料有限公司，厚度0.1 mm），在辊压机上进行辊压，控制辊压后电极片厚度0.6 mm。另一片电极不涂敷聚四氟乙烯膜，也依法辊压以保障泡沫镍电极的平整和密实，厚度同样控制在0.6 mm。将这敷膜和不敷膜的电极分别组装在水平式锌空气动力电池中。电池的组装方式可描述为，用铜皮制作电池槽，尺寸为50 mm×50 mm×3 mm，在其中选取35 mm×35 mm 的区域大小（气体扩散电极的实际有效面积为3.5 cm×3.5 cm），周边用有机玻璃条围成反应槽，在槽内平铺15 g 锌膏，锌膏厚度保持与电池槽的高度相当，然后在锌膏上平铺一层碱性隔膜（浙江普瑞科技有限公司，型号为A），用33%浓度的氢氧化钾液体进行隔膜的表面补液（用量为1.5mL），然后将气体扩散电极平铺在隔膜上，盖上自制透气压片，透气压片朝向电极的一面设置了小压块，保障正负电极可以通过隔膜充分地接触，然后将压片与电池槽底部夹住以固定气体扩散电极和电池外壳成为一体，此时，将电极片和铜电池槽同时引出导线，即可进行实验测试。具体组装方式还可参见文献。

　　1.2 设计实验条件和方法

　　我们将组装后的两只电池在同样的环境状态下进行放电测试，实验环境条件为，室温25 ℃，相对湿度65%，锌空气电池在自然环境下敞开式放电。测试内容主要分为两部分，一方面是实验电池的恒流放电特性，将两只电池均在1 A 恒流状态下，进行放电，得到两电极的放电极化曲线。另一方面，重新制作两只扩散方式不同的电极实验其在放电初始和放电40 min后的伏安曲线，以获得两只具有不同气体扩散方式的电极，表观内阻的区别。

　　2 结果与分析

　　2.1 气体扩散方式对电极放电情况的影响

　　按照1.1 节中所述的方法将制作好的电极组装成锌空气动力电池，测试放电特性。图1 是敷膜电极与不敷膜电极的恒流放电极化曲线，图2 是两种电极的伏安曲线图，其中曲线1和3 分别代表敷膜电极初装和40 min 放电后的（以1 A 恒流放电）伏安曲线，曲线2 和4 分别代表无膜电极初装和40 min 放电后的伏安曲线。由放电结果发现，两电极的初期放电区别并不大。即使在图1 中反应出两电极的恒流放电时间不同，即放电容量的区别，但是，也可以看出两电极在放电初期的区别不大。在放电后期，由于无膜电极缺少防水透气膜的保护，以致电解液会透过电极的多孔结构，在电极的空气面结出“水珠”，即电解液的渗出现象，这种现象对空气扩散参与反应产生不利影响。但是，单纯地从电池放电初期的气体扩散方式角度看，可以总结为，空气通过电极的多孔面直接扩散和通过PTFE 膜扩散参与反应对反应结果影响不大，也可以理解为，气体的扩散传输方式并不是制约电极乃至电池效率的主要问题。

　　此外，在锌空气动力电池体系下放电极化曲线通常可以分为三个阶段：活化极化区、欧姆极化区和浓差极化区，在欧姆极化区，电压和流呈现直线关系，直线的斜率基本上可以代表电池的表观内阻。我们将两电极放电欧姆极化段的数据进行线性拟合，得到电极的表观电阻，对应于敷膜电极初装和40 min 放电后的表观电阻分别是0.26 W 和0.37 W，不敷膜电极初装和40 min 放电的表观电阻分别是0.27 W 和0.40 W。可见，两种电极在制作完成放电初始，表观内阻区别不大，但是在使用一段时间后，不敷膜电极受到电解液渗出的影响，导致了表观电阻的增加比较快速，同时我们可以比较，由于电阻造成的能量损失是电阻值的平方，由此可见，随着电池放电后期表观内阻值的增大，能量损失值是非常可观的，尤其是在大电流放电态下，其结果更加明显。

　　2.2 理论分析

针对锌空气动力电池，我们从理论分析的角度探讨电池内阻对放电的影响。我们知道氧气在水里的扩散系数是10－9 m2/s，而氧气在空气里的扩散系数是10－6 m2/s。鉴于这两个已知参数，我们考虑两种极限情况，在锌空气电池