高比特性实用化锌空气电池

　　电源技术研究与设计高比特性实用化锌-空气电池孙法炯，王（珠海至力电池有限公司，广东珠海519015）电网和防漏密封层。由于该种电极的研制成功，使困扰圆柱型锌-空气电池实用化的防漏问题得到解决。以AA型电池为例，在20Q的定电阻标准条件下放电，其容量为4 23V左右有一个平坦放电平台，比能量达到700W4/L过放24h电池无漏液。该种电池的持续放电时间比普通碱性锌-锰电池高出2倍以上，将其运用在传呼机、随身听、CDMA手机等方面具有广阔的前景众所周知，碱性锌-空气系列的阴极活性物质来源于空气中的氧气，其正极是一种透气、不透液、能导电、有催化活性的薄膜，它在整个电池中所占的比例很小，余下的空间可以用来充填阳极材料。因此在现有的小型电池系统中具有最高的比能量。通常我们将这种薄膜称之为空气电极。空气电极主要是收穑日期：1999-0屮02由一些高分子聚合物（如聚四氟乙烯）、活性炭、催化剂（如二氧化锰、银、铂等）及集流体等材料组成。它可以做得很薄。

　　这种扣式电池在80年代成功地应用于助听器，具有长的使用时间。这种电池还适用于大型手提电筒、道路信号灯及水上航标灯系统。但从未成功地用于小型的圆柱系列电池。以前国内外有很多人在此方面开展过研究工作，也提出了不少的设计方案与思路，但都未能成功地推出实用化的产品。

　　近年来随着小型用电器的不断发展，小型圆柱电池结构电源技术孙法炯等：高比特性实用化锌-空气电池系列电池的应用越来越广。以传呼机为例，它的使用条件最适宜于锌-空气电池发挥优点：连续使用，功率中等。如选用锌-空气电池使用时间可达3~4个月，2倍于普通碱性锌-锰电池。而在移动电话方面，目前移动电话电池的使用功率向着越来越小的方向发展，例如CDMA手机的功率已经小于0.5W，锌-空气电池可以负担得起这样的放电功率，而且其一次使用时间相当可充电池4~5倍，可将其用于手机的辅助电源。因此，发展小型的圆柱系列锌-空气电池极有意义。

　　本篇论文的研究小组经过多年的努力，成功地开发出一种由催化活性层、憎水透气层、集流体导电网和防漏密封层组成的新型空气电极。该电极不仅保留了原空气电极本体优良的催化活性、防漏性、导电性以及薄的特点，而且还具有易加工成任意形状、强度好的独特优点。将其用于制造小型圆柱系列锌-空气电池后，该电池具有优良的电化学性能和可靠的防漏性，使实用圆柱系列锌-空气电池的生产与推广工作得以实现。

　　1试验以前未能成功地推出实用化产品的原因，经过我们的试验与摸索发现主要有以下几个方面。

　　（1）很难密封空气电极与电池整体间的密封方法主要有以下几种：第一种，静压。即将电极边缘与电池壳体边缘紧紧地压在一起，扣式电池采用的都是此种方法，但对于圆柱面却不适合。第二种，注塑。大方型电池多是采用这样的方法来完成密封的。之所以这样密封主要是因为以前的空气电极由以下三层组成，由外向内分别为憎水透气层、催化活性层、集流体。憎水透气层主要材料是聚四氟乙烯。但聚四氟乙烯本身很难熔化，因而很难与其本身或其他塑料完成一种熔融状态下的分子间的紧密联接。在注塑过程中聚四氟乙烯是不会熔化的，只是熔融的壳体塑料可以部分地渗透到憎水透气层中的聚四氟乙烯内部的微孔中。同时集流体在内部，导致集流体的引出必然要穿过或从侧面绕过憎水透气层。而集流体本身浸泡在电解液中，这就使电解液有沿着集流体而泄漏的可能。第三种，粘接。这种方法可靠性差，成本高，不适合规模生产。

　　针对以上这些问题，我们首先对构成空气电极的材料进行了系统的研究。经过不断的试验。我们将构成空气电极的主要高分子材料进行了改性。使其不仅保持了原空气电极优良的电化学性能，而且经过改性后的高分子材料能与其它塑料完成一种熔融状态下的分子间的紧密联接。利用此种性能我们采用了熔接法来进行密封。熔接法：是将空气电极中的部分材料与电池壳体中的部分材料熔化，使其达到互融，形成一种熔融状态下的分子间的紧密联接。此种密封方法简单、可靠、适合规模生产。

　　（2）结构的选择与工艺的实现难度大在中提及将电极压成钟型的方法，存在难成型，可靠性差，不利于批量生产的问题；而在中提及将电极卷在电池中心，在中心处形成气室，外部装阳极材料的结构，在该结构中由于电池气室设置在电池的中心，占据较多的空间，空气电池比能量高的优点得不到充分体现；在中所提及的电池虽将空气电极放在外部，但由于电极材料不易密封，也很难进行实用化工业生产。

　　我们对以前的各种方法进行了对比，分析了它们工艺上的问题。最后我们采取了将电极卷在外部，内部装阳极材料的结构。该种结构能最大限度地利用有效空间来充添负极材料，充分发挥锌-空气电池比能量高的特点，同时也能保证空气电极有最大的有效反应面积，有利于空气的流动，减少其带来的极化，进而提高电池的极限电流。在工艺上采用熔接法的新工艺，使复杂的工艺得到简化，从而保证了圆柱型锌-空气电池可靠地生产。该电池的结构如所示。

　　2性能为更好地描述该种电池的性能特点，我们将碱性锌-锰电池与其对比（见表1）。了解碱性锌-锰电池的人不难看出，它们结构上的主要差别在正极材料上。碱性锌-锰电池所使用的二氧化锰需要占据较大的电池有效空间，而锌-空气电池正极所占空间很少，这两种电池的放电曲线见、。

　　研究与设计电源技米表1同型号碱性锌-锰电池与锌-空气电池性能对比结果碱性锌锰电池Alkaline锌空气电池Zinc-air碱性锌锰电池Alkaline开路电压工作电压范围放电平台平坦不平坦平坦不平坦极限电流放电时间质量比能量体积比能量应用范围传呼机Pager手机更多传呼机更多打开气孔后的使用时间防漏性能好1存储性能好从、与是AA型还是AAA型锌-空气电池的容量与放电平稳性都明显优于碱性锌-孟电池。其体积比能量与质量比能量也高出很多。与碱性锌-锰电池一样，都具有较好的存储性能和防漏性能。将其用在小型便携式用电器上，是一种很好的选择。特别是要求电压输出平稳，容量高的用电器，它是最佳的选择。

　　下面以传呼机为例，说明其实用情况。

　　分别选用MOTOROLA数字机，MOTOROLA中文机和NEC数字机在珠海、北京、武汉和哈尔滨等地进行使用试验。因为篇幅有限表2列出了有代表性气候的珠海与哈尔滨两地的部分结果。时间从1998年9月至1999年3月。

　　性粹S电池随着信息时代baW的到来，手机、寻呼机等便携式用电器的使用量迅速增力口。而它们大部分使用的是圆柱系列或方形系列电池。

　　对于使用者而言，用电器的使用时间越长越好，价格越便宜越好。这就要求为用电器提供电源的电池使用时间更长，价格更便宜。下面就锌-空气电池的优、缺点和市场前景进行分析。

　　表2圆柱型锌-空气电池在传呼机上的使用结果Tab.2CylindericalZn-airbattery传呼机的类型电池型号Cell使用时间平均每日传呼频率以前碱锰电池使角时间地点Digital数字机哈尔滨Ha-bin Chinese中文机哈尔滨Ha-bin数字机电源技术孙法炯等：高比特性实用化锌-空气电池容量优势：在现有的一次电池体系中，锌-锰干电池的价格虽然便宜，但容量太低。碱性锌-锰电池的各方面性能虽还可以，但用其作手机电源却不太合适。主要是其一次使用时间与目前的可充MH-Ni电池相比无明显优势，价格较高。小型圆柱系列锌-空气电池的问世将明显提高其用电器的一次使用时间。以AA型电池为例：普通MH-Ni电池为1.2Ah，而锌-空气电池为4. 6Ah，基本上是MH-Ni电池的4倍。也就是说如果使用MH-Ni电池的手机工作时间是4d那么使用同型号的锌-空气电池将达到半个月。

　　价格优势：前面提到了其结构与碱性锌-锰电池的基本相似，不同之处主要在正极。当其产量达到一定的规模时，其价格能与碱性锌锰电池差不多。

　　当然这种价格与蓄电池每次充电所耗的费用比还是高出很多，但其方便性对于旅游、出差或野外工作的人员来说，是一个很好的选择。

　　工艺优势：本空气电极具有易加工、可靠性高的特点。本文所述的圆柱型，仅是其中一例，它还能加工成方型、扁型等多种形状，而电池性能不变。

　　环保优势：锌-空气电池的主要材料是锌，在锌无汞化的问题上，可以继承碱性锌-锰电池锌电极无汞化的技术与经验。而且该电池使用后的主要产物是氧化锌，空气电极和包装在外部也较易除去，因此回收与处理都较方便。

　　缺点与使用范围：普通用电器（例如：传呼机、玩具、手机）要能正常工作，电池需输出一定强度的电流。无论采用何种催化剂，锌-空气电池单位面积上的电流密度都有一个极限值。由于很多用电器的功率比较高，在目前极限电流条件下，此种锌-空气电池还很难承担。但通过改进催化剂和改善外界空气的流动是能解决的。而且目前用电器的发展方向是功耗越来越小，如CDMA手机的功耗，以上所述的锌空气电池就能满足。当然，我们也应该看到锌-空气电池受环境影响比较大的缺点，但就象扣式锌-空气电池在助听器上得到广泛应用一样，在传呼机和手机等用电器上也能充分发挥它所具有的最高比能量、平稳放电电压的特点，得到合理的应用。

　　市场前景分析：最适宜使用锌-空气电池的传呼机，仅仅在中国的拥有量就在5000万个以上，如果包括其它国家的拥有量，其总数达到数亿个。以每个传呼机每年平均消费4只电池计算考虑到市场的接受能九初期以10%的占有率为目标，其市场容量就达数千万只。而在移动电话方面，随着购买与使用费用的不断降低，极大地刺激了移动电话的消费，其数量不断增加，目前在中国拥有量已接近3000万个。利用锌-空气电池一次使用寿命长的特点，在合理的价格范围内，将成为移动电话电源很好的一种选择。

　　综上所述，高比特性实用化锌-空气电池不仅能成倍地提高传呼机和手机等便携式用电器的使用时间，而且符合电池工业的发展趋势和社会需要，必将在21世纪的电池产品中占有一席之地。