環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響

魏安康，朱梅，徐獻(xiàn)芝，尹成龍

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響

魏安康1，朱梅1，徐獻(xiàn)芝2，尹成龍1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027）

分別改變環(huán)境相對濕度、溫度和空氣流通速度，對比鋅空氣電池在不同環(huán)境下恒流放電后的失水情況，分析環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著環(huán)境相對濕度的增加，電池失水量逐漸減少；隨著環(huán)境溫度和空氣流通速度的增加，電池失水量在一定范圍內(nèi)隨之增加。在濕冷的環(huán)境下，電池在放電過程中會(huì)吸收空氣中的水分。在干熱的環(huán)境下，當(dāng)相對濕度與溫度達(dá)到一定值，電池失水導(dǎo)致自身含水量低于50%時(shí)，電池將無法正常工作。

鋅空氣電池；失水；相對濕度；溫度；空氣流通

鋅空氣電池具有容量大、比能量高、綠色環(huán)保、放電性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種具有廣闊市場前景的化學(xué)電源。對于鋅空氣電池，目前大多數(shù)研究重點(diǎn)集中在其氣體擴(kuò)散電極上[1-2]，而有關(guān)環(huán)境因素對電池工作的影響卻較少有系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[3]中指出了鋅空氣電池性能受外界環(huán)境影響大，但缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與具體分析。文獻(xiàn)[4]中研究了水分交換對鋅空氣電池性能的影響，但未充分考慮到環(huán)境中其他因素的影響。

鋅空氣電池的工作是在一個(gè)半開放的體系中進(jìn)行，它是以金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，中性或堿性的電解質(zhì)作為電解液的一種電池。在工作中必然要同空氣中的其他物質(zhì)發(fā)生物質(zhì)交換與化學(xué)反應(yīng)，因此環(huán)境因素對其有至關(guān)重要的影響。其中，電池的失水對電池工作性能的影響尤為嚴(yán)重。鋅空氣電池的反應(yīng)面主要位于固液氣三相交界處，一旦環(huán)境過于干燥，電池失水過多，則性能必然會(huì)大大下降，短路、電極擊穿等現(xiàn)象也會(huì)隨之發(fā)生。

為了探究環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響，本文將電池分別放置于不同相對濕度、溫度及空氣流通速度的環(huán)境中進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，對比不同環(huán)境下電池的失水情況。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鋅空氣電池的制備

鋅空氣電池由鋅膏、集流體、隔膜紙、氣體擴(kuò)散電極和塑料電池槽組成。將底部密封的塑料電池槽水平放置，上端放置一塊銅片作為集流體，并用銅絲引出作為電池的負(fù)極。在集流體上加入150 g鋅膏，并抹平使其高度與電池槽外端齊平，上端覆蓋兩張隔膜紙，并注入40 g濃度為33%的KOH溶液，隔膜紙上水平放置一片氣體擴(kuò)散電極。鋅膏是由鋅粉、KOH溶液以及聚丙烯酸鈉組成的粘稠狀膏體。氣體擴(kuò)散電極是將活性炭、乙炔黑和石墨等催化材料均勻摻混后涂抹于泡沫鎳片，經(jīng)高溫烘干、壓平而制成，具體制作過程見文獻(xiàn)[5]。最后將氣體擴(kuò)散電極四周與電池槽密封，使得整塊電池中，氣體擴(kuò)散電極是其與外界氧氣和水蒸氣交換的唯一通道，如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響，將電池放置在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)。通過氣泵、超聲波霧化器、空調(diào)盤管等實(shí)驗(yàn)設(shè)備改變箱體內(nèi)相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖1 鋅空氣電池示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)箱體兩側(cè)分置進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口，其中進(jìn)風(fēng)口通過空調(diào)盤管與氣泵相連?？照{(diào)盤管起到調(diào)節(jié)箱體內(nèi)部溫度的作用。箱體內(nèi)部放置超聲波霧化器，以調(diào)節(jié)環(huán)境相對濕度。使用機(jī)械式溫濕度計(jì)測量箱體內(nèi)部環(huán)境溫度和濕度，使用風(fēng)速計(jì)測量電池氣體擴(kuò)散電極表面的風(fēng)速。最后將電池與恒流放電儀連接，進(jìn)行恒流放電工作。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

分別改變環(huán)境相對濕度、溫度和空氣流通速度三個(gè)環(huán)境參數(shù)之一，并保持另兩個(gè)環(huán)境參數(shù)不變，將鋅空氣電池置于相應(yīng)環(huán)境中，進(jìn)行電池的失水實(shí)驗(yàn)。

（1）相對濕度對鋅空氣電池失水的影響

將鋅空氣電池放置于圖2所示的箱體內(nèi)，開啟氣泵，并通過超聲波霧化器調(diào)節(jié)環(huán)境相對濕度，保持溫度和風(fēng)速不變，使得箱體內(nèi)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（改變相對濕度）

（2）環(huán)境溫度對鋅空氣電池失水的影響

開啟氣泵，通過加熱與冷凍空調(diào)盤管，調(diào)節(jié)箱體溫度，保持相對濕度和風(fēng)速不變，使得箱體內(nèi)部環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（改變溫度）

（3）空氣流通速度對鋅空氣電池失水的影響

將電池放置于四面環(huán)墻的室內(nèi)，使其周圍環(huán)境如表3中環(huán)境⑦。調(diào)節(jié)氣泵工作功率，使得電池表面風(fēng)速分別為1.2和3.5m/s，環(huán)境參數(shù)分別如表3中的環(huán)境⑧和環(huán)境⑨。

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（改變空氣流通速度）

（4）干熱環(huán)境與濕冷環(huán)境對電池失水的影響

為了更全面地探究環(huán)境因素對電池失水的影響，讓電池分別在干熱和濕冷兩種極端的環(huán)境下工作，其環(huán)境參數(shù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)（極端情況）

（5）恒流放電實(shí)驗(yàn)

將鋅空氣電池分別放置于上述11種環(huán)境下進(jìn)行恒流放電，工作電流為10 A，工作時(shí)間為4 h，分別稱量電池工作前后的質(zhì)量并記錄，以此計(jì)算電池的失水量。每種環(huán)境分別進(jìn)行五組實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算電池失水的理論基礎(chǔ)

（1）電池失水量的計(jì)算

電池在整個(gè)放電過程中，會(huì)與外界的氧氣和水蒸氣進(jìn)行交換。所以依據(jù)電池工作前后質(zhì)量變化和電量的大小，即可推算出電池水分的交換量。

電池工作4 h，吸收11.96 g氧氣，減去電池工作前后的質(zhì)量變化，便可得出電池的失水量。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差計(jì)算

分別計(jì)算每種環(huán)境下各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，由標(biāo)準(zhǔn)誤差公式計(jì)算而得：

2.2 相對濕度對鋅空氣電池失水的影響

在不同的相對濕度環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算，得出鋅空氣電池恒流放電4 h后，失水量分別如表5所示，其中環(huán)境①、②、

③的相對濕度依次增加。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（改變相對濕度）

依據(jù)表5，分別計(jì)算三種環(huán)境下失水量平均值，得：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著環(huán)境相對濕度的增加，電池放電失水量逐漸減小。濕度增加，鋅空氣電池通過氣體擴(kuò)散電極向外界擴(kuò)散水蒸氣的速率隨之逐漸減小，失水量故而降低。

2.3 環(huán)境溫度對鋅空氣電池失水的影響

在不同溫度的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算，得出鋅空氣電池恒流放電4 h后，失水量分別如表6所示，其中環(huán)境④、⑤、⑥的溫度依次增加。

表6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（改變環(huán)境溫度）

依據(jù)表6，分別計(jì)算三種環(huán)境下失水量平均值，得：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度的增加，電池放電失水量逐漸增加。一定范圍內(nèi)，溫度上升，鋅空氣電池反應(yīng)速率加快，蒸發(fā)速度也變快，其通過氣體擴(kuò)散電極向外界擴(kuò)散水蒸氣的速度加快，失水量也逐漸增加。

2.4 空氣流通速度對鋅空氣電池失水的影響

在不同空氣流通速度的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過計(jì)算，得出鋅空氣電池恒流放電4 h后，失水量分別如表7所示，其中環(huán)境⑦、⑧、⑨的空氣流通速度依次增加。

表7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（改變空氣流通速度）

依據(jù)表7，分別計(jì)算三種環(huán)境下失水量平均值，得：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著環(huán)境中空氣流通速度的增加，在一定范圍內(nèi)，電池放電失水量逐漸增加。當(dāng)鋅空氣電池氣體擴(kuò)散電極表面風(fēng)速從1.2m/s升至3.5m/s時(shí)，電池失水量明顯增加。但其表面風(fēng)速從自然對流時(shí)的0m/s升至強(qiáng)迫對流的1.2m/s時(shí)，其失水量無明顯區(qū)別。一方面，強(qiáng)迫對流加速了水蒸氣的蒸發(fā)，使水分?jǐn)U散速率加大；另一方面，強(qiáng)迫對流使得電池表面溫度降低，又降低了電池水分的擴(kuò)散速率。

2.5 干熱環(huán)境與濕冷環(huán)境對電池失水的影響

為了更全面地研究環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的影響，將電池放置在在干熱和濕冷兩種極端環(huán)境下工作。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在干熱的環(huán)境下，電池失水量為39.29 g；在濕冷的環(huán)境下，電池?zé)o水分散失，吸收水蒸氣2.02 g。

實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)電池工作的環(huán)境溫度為(70±1)℃，相對濕度為30%±5%時(shí)，電池失水量可達(dá)到39.29 g，約占電池總含水量的56.98%。更多實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電池含水量低于50%時(shí)，電池將無法正常工作。當(dāng)電池工作的環(huán)境溫度為(2±1)℃，相對濕度為90%±5%時(shí)，電池會(huì)通過氣體擴(kuò)散電極吸收空氣中的水蒸氣，一定程度上阻礙了氧氣與電池的反應(yīng)，使得電池的工作性能降低。

3 結(jié)論

通過鋅空氣電池在不同環(huán)境下的恒流放電實(shí)驗(yàn)，檢測電池的失水情況。當(dāng)環(huán)境相對濕度增加，電池的失水隨之減少；環(huán)境溫度上升，電池的失水隨之增加。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到(70±1)℃，相對濕度為30%±5%時(shí)，電池自身失水導(dǎo)致其含水量小于50%，此時(shí)電池將無法正常工作。當(dāng)工作環(huán)境過于濕潤寒冷，電池的性能也會(huì)大大降低。

通過考察環(huán)境因素對鋅空氣電池失水的研究，認(rèn)識到環(huán)境對鋅空氣電池的工作性能有很大的影響。在將來鋅空氣電池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，如何使電池在高效工作的同時(shí)保證水分盡少散失，應(yīng)該給予足夠的重視。

[1]吳曜佐，李書鋒，林秋豐，等.不同空氣陰極表面結(jié)構(gòu)之鋅-空氣燃料電池性能[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(10)：1178-1183.

[2]黃偉國，王先友，汪形艷，等.堿性鋅-空氣電池陰極催化劑的制備及其性能[J].電源技術(shù)，2006，30(4)：294-297.

[3]褚有群，馬淳安，張文魁.堿性鋅空氣電池的研究進(jìn)展[J].電池，2002，32(5)：294-297.

[4]趙晶.水分交換對鋅空氣電池性能的影響[J].化工之友，2007，9 (7)：47-48.

[5]李芬.鋅空氣電池之氣體擴(kuò)散電極性能研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010：13-18.

Effectsofenvironmental factorson dehydration of zinc-air battery

WEIAn-kang1,ZHUMei1，XU Xian-zhi2,YIN Cheng-long1

The dehydration of zinc-air battery under differentenvironmental factors after constant-current discharge was studied by respectively changing the environments relative hum idity,temperature and the speed of air circulation to analyze the influence of environmental factors on the dehydration of zinc-air battery.Experimental results show that w ith the increase of relative hum idity,the dehydration of battery gradually decreases;w ith the increase of temperature and the speed ofair circulation,the dehydration ofbattery increases in a certain range.Under a cold and wetenvironment,the battery would absorb the moisture in the air during the discharging,while under a dry and hot environment,when the relative hum idity and tem perature reaches a certain value,the moisture contentofbattery is lower than 50%due to the dehydration ofbattery,then the battery couldn’tproperly work.

zinc-airbattery;dehydration;relative hum idity;tem perature;air circulation

TM 911

A

1002-087 X(2014)05-0864-03

2013-11-08

國家自然科學(xué)基金青年基金(11202002)；安徽省高校省級優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2012SQRL056)

魏安康(1990-)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇\空氣電池。

朱梅，E-m ail：zhumei@ahau.edu.cn