水系锌离子电池的原理、组装与应用

王子野 李国华

摘 要： 锌离子电池由于其良好的环境兼容性、极高容量密度、低廉的价格和很高的安全性，被认为是今后大规模能量储存的方向。本文介绍了锌离子电池的原理及其装配基本步骤。

关键词： 锌离子电池;电解液;集流体;能量存储

在能源问题日益凸显的今天，怎样选择一个良好的能量储存载体越来越成为一个全球学者都关注的热点。包括智能手机在内的移动通讯存储设备，绝大多数使用的已经是锂离子电池，电动摩托车、电动汽车、电动自行车产业对于电池的需求也越来越旺盛，在未来的储能领域，高容量电池也必将大放光彩。然而锂离子电池带来便捷的同时，它同样具有极大的安全隐患和潜在的危险，经常发生的锂离子电池的爆炸和爆燃意外给使用者的财产甚至生命安全带来了极大的安全隐患和威胁。而锌离子电池具有着锂离子电池不具备的水系电解液，从而良好的安全被人们认为是锂离子电池的替代发展方向。

1 锌离子电池的原理

近些年来，人们研究的可充电二次锌离子电池使锌电极的应用扩展到中性电解液体系，主要代表活性物质为锰系和钒系正极材料构成的锌离子电池。在二氧化锰和二氧化钒中，锰和钒离子具有多价态离子储存，研究表明纳米二氧化锰的大隧道和钒的层状结构非常利于储存锌离子，以及二价的碱土金属阳离子，Zn2+在大隧道的锰材料和层状钒材料中，具有可逆并且快速的嵌入和脱出行为，另外Zn2+可以在含 Zn2+的中性电解液（如硝酸锌、硫酸锌或氯化锌）中可逆并且快速的沉积和溶解。基于锌离子在正极和电解液中的以上行为为原理，构成了一种可充电二次锌离子电池（简称 ZIB）。电化学相关分析表明，基于这种原理的新型可充电锌电池同时具有很高的功率密度和能量密度，在未来作为锂离子电池的取代者有很广的应用前景。

锌离子电池以层状钒系材料以及大隧道锰系化合物为正极材料，以金属单质锌（锌片或锌粉）为负极材料，玻璃纤维膜为隔膜，以含锌离子的硝酸锌、硫酸锌或氯化锌为电解液，相关原理图如下图所示。

2 锌离子电池实验室的组装和制备

实验室用锌离子电池的组装由以下五部分构成：电池壳（包括弹片和垫片）、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。

电池壳我们这里使用2032型不锈钢电池壳，附带一个1.5mm的垫片和弹片。

正极材料由活性物质、科琴黑（或乙炔黑）、PVDF和NMP构成，制备方式为：活性物质合成以后，将其与科琴黑、PVDF以8：1：1质量比放入玛瑙研钵中充分研磨1小时，加入60质量比的NMP后磁力搅拌36小时后涂覆在集流体上。集流体可选择不锈钢网，涂覆厚度约为15μm，随后放入真空干燥箱中在真空环境下120摄氏度干燥18小时后切片备用。

负极材料为99.99%纯度的锌片，厚度1mm，裁成圆形装片。隔膜我们选用whatman GF/A玻璃纤维膜。

电解液可选的种类和浓度有很多，如硝酸锌、氯化锌和硫酸锌等。经过对比实验，我们发现最有利于循环稳定和容量提升的是硝酸锌电解液。在浓度方面有1-3mol/L范围可选，经试验对比发现，最佳浓度为2.3mol/L附近。

按上述材料备好后我们按照：正极电池壳-弹片-垫片-锌片-电解液-隔膜-电解液-活性物质-负极电池壳顺序安装电池后，使用压机压紧后制备完成。制备完成后的电池可经各电流大小的普通循环及倍率循环测试其性能，参照其CV、阻抗等数据综合评价该活性物质的性能。

3 结语

锌离子电池应用的优势很明显，它具有很高的安全性、极低的成本、环保性好、高能量高功率密度、大功率充放电性好等优良特性，且具有着很强的创新性，但是在研究过程中，我们发现它也存在一些不足，比如循环容量衰减较快，倍率循环性能不够稳定，易出现“鼓包”，锌枝晶的生长会刺破隔膜等问题，这些问题从各方面限制和影响了锌离子电池的性能，影响了锌离子电池的大规模生产和应用。然而目前研究者们对于锌离子电池的测试和研究还处于起步不成熟的阶段，对其容量衰减机理和解决办法的研究正在进行，对锌电极电化学行为的认识比较少，因此有必要从机理上分析锌离子电池的容量衰减、性能降低的原因，从电极材料的角度对锌电极的电化学行为做进一步研究。之后根据初步分析的原因，针对性地采用电极添加剂、电解液添加剂等多种方法改善锌电极的电化学性能，提高锌离子电池的放电性能和循环性能，以促进锌离子锌电池的进一步开发和应用，这对储能器件的发展也有重要的意义。

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