空气电极表面渗液机理的研究

杨永青,徐献芝,潘 奎

(中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥 230027)

在锌空电池放电过程中,空气电极表面会出现渗液现象,即碱液透过防水膜渗到空气电极表面[1-2]。这一现象会严重影响电池的性能。当渗液过多时,液体会堵塞空气正常的流通通道,同时,催化颗粒表面的液膜会增厚。根据薄液膜理论[3],液膜增厚会大大减少高效率的三相反应界面,使电池无法在大电流条件下工作;渗液过多,还会使得电池失水增加,影响锌电极的利用率。

本文作者针对上述现象,通过聚四氟乙烯(PTFE)表面特性实验和列斯实验[4],对空气电极表面的渗液机理进行了研究。

1 实验

1.1 PTFE表面特性实验

PTFE膜的处理:将 PTFE膜(上海产,110 mm宽、0.1 mm厚)在33.3%KOH(上海产,≥99%)溶液中、密封的条件下(防止CO2对实验结果的影响)浸泡120 h。之后,取出PTFE膜,用电吹风机吹干。

在未经处理和经过处理的PTFE膜上分别滴上33.3%KOH溶液,观察液滴的情况。

将所得图片导入CoreDRAW软件中,利用快速描摹功能,得到接触角的数据。

1.2 列斯实验

1809年,俄国科学家列斯发现了电渗现象,即:液体在电场中对固体表面作相对运动,需要半径为10-6～10-7m的毛细管,在外加电场的作用下,毛细管内的液体沿管壁的流动[4]。

本文采用与列斯实验类似的装置,在湿粘土(合肥产,≥95%)中插入两根聚乙烯吸管(长25 cm,内径为4 mm),里面注入等高的导电液体,然后通上直流电,过一段时间,就能观察到吸管中液体高度的变化,接负极的液柱下降,接正极的液柱上升,通过测量两管液柱的高度差,判断电渗现象的强弱。

1.2.1 导电介质对电渗的影响

将K2CO3(上海产,≥90%)、NaCl(上海产,≥99.5%)、BaCl2(上海产,≥98%)和KOH分别配成 20%的溶液,注入吸管作为导电介质(或以自来水作为导电介质)。每次实验完成后,更换吸管和导电介质。在其他条件相同的情况下,通250 V直流电源并记录两根吸管中液面的高度,每次通电持续时间为30 min。

1.2.2 电压对电渗的影响

改变电压,在其他条件相同的情况下,通直流电源进行实验,记录各电压下两管液面的高度。每次通电持续时间为30 min,导电介质均为20%KOH溶液。

2 结果与讨论

2.1 PTFE表面疏水能力的变化

PTFE表面特性实验的结果见图1。

图1 PTFE表面特性实验的结果Fig.1 Results of surface property experiment of PTFE

从图1可看出,在KOH溶液中浸泡会改变PTFE膜的疏水特性,使膜的疏水性变差。PTFE膜的接触角在浸泡前一般是140°～150°,在浸泡后一般是110°～120°,有些甚至更小。

一般情况下,空气电极的粘结和疏水材料的主要成分是PTFE,经过碱性溶液的浸泡,PTFE的疏水能力显著降低,而且这种疏水能力的降低会随着使用时间的延长而越发明显,使得渗液发生的可能性增大。

2.2 导电介质对电渗的影响

导电介质对电渗影响的实验结果如表1所示。

表1 导电介质对电渗的影响T able 1 Effects of electric conduction medium to electroosmosis

从表1可知,导电介质为KOH和K2CO3时,液面高度差较大,分别为30 mm和33 mm;导电介质为NaCl、BaCl2和自来水时,液面高度差较小,分别为5 mm、4 mm和3 mm。

KOH和K2CO3都是碱性物质,表面张力对通电较为敏感,而锌空电池以KOH溶液作为电解液,因此渗液的可能性较大。

2.3 电压对电渗的影响

只要有电压,就会出现电渗现象。在KOH溶液中,电压高低对电渗影响的实验结果见表2。

表2 电压对电渗的影响Table 2 Effects of voltage to electroosmosis

从表2可知,液面高度差与电压的关系不大,高度差的平均值为30.4 mm,最大值为36 mm,最小值为 24 mm。

3 结论

在所有影响空气电极渗液问题的因素中,电压是引起空气电极渗液问题的先决条件,只要有电压,不管多小,都会发生电渗现象,电压的高低对电渗强弱几乎没有影响。这是锌空电池在工作过程期间总会出现渗液现象的原因。

在研究的导电介质中,电渗现象表现得最为强烈的是KOH。锌空电池所用的电解液是KOH溶液,因此在电池工作期间,更容易出现电渗现象。

PTFE膜经过KOH溶液浸泡,疏水性会降低,使电渗更容易发生。这是多次使用的空气电极更易出现电渗的原因。

致谢:本文得到梁又文、李海岳、吕莹和朱乔乔等同学的大力支持,在此深表感谢。

[1]LI Fen(李芬).锌空气电池之气体扩散电极性能研究[D].Hefei(合肥):University of Science and Technology of China(中国科学技术大学),2010.

[2]LIU Yun(刘云).碱锰电池漏液及采取对策[J].Dianchi Gongye(电池工业),2001,6(6):253-254.

[3]CHEN Chong-mu(陈崇木).镁及镁合金薄液膜下腐蚀行为研究[D].Harbin(哈尔滨):Harbin Engineering University(哈尔滨工程大学),2009.

[4]ZHAO Xiao-lei(赵晓磊).阴极电泳涂料的研究[D].Qingdao(青岛):Qingdao University of Science&Technology(青岛科技大学),2009.