环境因素对锌空气电池失水的影响

2014-07-07魏安康朱梅徐献芝尹成龙

电源技术 2014年5期

关键词：环境参数环境温度水量

魏安康，朱梅，徐献芝，尹成龙

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥 230027）

环境因素对锌空气电池失水的影响

魏安康1，朱梅1，徐献芝2，尹成龙1

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥 230027）

分别改变环境相对湿度、温度和空气流通速度，对比锌空气电池在不同环境下恒流放电后的失水情况，分析环境因素对锌空气电池失水的影响。实验结果表明：随着环境相对湿度的增加，电池失水量逐渐减少；随着环境温度和空气流通速度的增加，电池失水量在一定范围内随之增加。在湿冷的环境下，电池在放电过程中会吸收空气中的水分。在干热的环境下，当相对湿度与温度达到一定值，电池失水导致自身含水量低于50%时，电池将无法正常工作。

锌空气电池；失水；相对湿度；温度；空气流通

锌空气电池具有容量大、比能量高、绿色环保、放电性能稳定等优点，已成为一种具有广阔市场前景的化学电源。对于锌空气电池，目前大多数研究重点集中在其气体扩散电极上[1-2]，而有关环境因素对电池工作的影响却较少有系统的研究。文献[3]中指出了锌空气电池性能受外界环境影响大，但缺乏实验验证与具体分析。文献[4]中研究了水分交换对锌空气电池性能的影响，但未充分考虑到环境中其他因素的影响。

锌空气电池的工作是在一个半开放的体系中进行，它是以金属锌作为负极活性物质，空气中的氧气作为正极活性物质，中性或碱性的电解质作为电解液的一种电池。在工作中必然要同空气中的其他物质发生物质交换与化学反应，因此环境因素对其有至关重要的影响。其中，电池的失水对电池工作性能的影响尤为严重。锌空气电池的反应面主要位于固液气三相交界处，一旦环境过于干燥，电池失水过多，则性能必然会大大下降，短路、电极击穿等现象也会随之发生。

为了探究环境因素对锌空气电池失水的影响，本文将电池分别放置于不同相对湿度、温度及空气流通速度的环境中进行放电实验，对比不同环境下电池的失水情况。

1 实验

1.1 锌空气电池的制备

锌空气电池由锌膏、集流体、隔膜纸、气体扩散电极和塑料电池槽组成。将底部密封的塑料电池槽水平放置，上端放置一块铜片作为集流体，并用铜丝引出作为电池的负极。在集流体上加入150 g锌膏，并抹平使其高度与电池槽外端齐平，上端覆盖两张隔膜纸，并注入40 g浓度为33%的KOH溶液，隔膜纸上水平放置一片气体扩散电极。锌膏是由锌粉、KOH溶液以及聚丙烯酸钠组成的粘稠状膏体。气体扩散电极是将活性炭、乙炔黑和石墨等催化材料均匀掺混后涂抹于泡沫镍片，经高温烘干、压平而制成，具体制作过程见文献[5]。最后将气体扩散电极四周与电池槽密封，使得整块电池中，气体扩散电极是其与外界氧气和水蒸气交换的唯一通道，如图1所示。

1.2 实验装置

为了研究环境因素对锌空气电池失水的影响，将电池放置在实验箱体内。通过气泵、超声波雾化器、空调盘管等实验设备改变箱体内相关环境参数进行实验，实验装置如图2所示。

图1 锌空气电池示意图

图2 实验装置示意图

实验箱体两侧分置进风口与出风口，其中进风口通过空调盘管与气泵相连。空调盘管起到调节箱体内部温度的作用。箱体内部放置超声波雾化器，以调节环境相对湿度。使用机械式温湿度计测量箱体内部环境温度和湿度，使用风速计测量电池气体扩散电极表面的风速。最后将电池与恒流放电仪连接，进行恒流放电工作。

1.3 实验内容

分别改变环境相对湿度、温度和空气流通速度三个环境参数之一，并保持另两个环境参数不变，将锌空气电池置于相应环境中，进行电池的失水实验。

（1）相对湿度对锌空气电池失水的影响

将锌空气电池放置于图2所示的箱体内，开启气泵，并通过超声波雾化器调节环境相对湿度，保持温度和风速不变，使得箱体内环境参数如表1所示。

表1 实验环境参数（改变相对湿度）

（2）环境温度对锌空气电池失水的影响

开启气泵，通过加热与冷冻空调盘管，调节箱体温度，保持相对湿度和风速不变，使得箱体内部环境参数如表2所示。

表2 实验环境参数（改变温度）

（3）空气流通速度对锌空气电池失水的影响

将电池放置于四面环墙的室内，使其周围环境如表3中环境⑦。调节气泵工作功率，使得电池表面风速分别为1.2和3.5m/s，环境参数分别如表3中的环境⑧和环境⑨。

表3 实验环境参数（改变空气流通速度）

（4）干热环境与湿冷环境对电池失水的影响

为了更全面地探究环境因素对电池失水的影响，让电池分别在干热和湿冷两种极端的环境下工作，其环境参数如表4所示。

表4 实验环境参数（极端情况）

（5）恒流放电实验

将锌空气电池分别放置于上述11种环境下进行恒流放电，工作电流为10 A，工作时间为4 h，分别称量电池工作前后的质量并记录，以此计算电池的失水量。每种环境分别进行五组实验。

2 结果与讨论

2.1 计算电池失水的理论基础

（1）电池失水量的计算

电池在整个放电过程中，会与外界的氧气和水蒸气进行交换。所以依据电池工作前后质量变化和电量的大小，即可推算出电池水分的交换量。

电池工作4 h，吸收11.96 g氧气，减去电池工作前后的质量变化，便可得出电池的失水量。

（2）实验数据的处理及误差计算

分别计算每种环境下各组数据的标准误差，由标准误差公式计算而得：

2.2 相对湿度对锌空气电池失水的影响

在不同的相对湿度环境下实验，经过计算，得出锌空气电池恒流放电4 h后，失水量分别如表5所示，其中环境①、②、

③的相对湿度依次增加。

表5 实验结果（改变相对湿度）

依据表5，分别计算三种环境下失水量平均值，得：

实验结果表明：随着环境相对湿度的增加，电池放电失水量逐渐减小。湿度增加，锌空气电池通过气体扩散电极向外界扩散水蒸气的速率随之逐渐减小，失水量故而降低。

2.3 环境温度对锌空气电池失水的影响

在不同温度的环境下实验，经过计算，得出锌空气电池恒流放电4 h后，失水量分别如表6所示，其中环境④、⑤、⑥的温度依次增加。

表6 实验结果（改变环境温度）

依据表6，分别计算三种环境下失水量平均值，得：

实验结果表明：随着环境温度的增加，电池放电失水量逐渐增加。一定范围内，温度上升，锌空气电池反应速率加快，蒸发速度也变快，其通过气体扩散电极向外界扩散水蒸气的速度加快，失水量也逐渐增加。

2.4 空气流通速度对锌空气电池失水的影响

在不同空气流通速度的环境下实验，经过计算，得出锌空气电池恒流放电4 h后，失水量分别如表7所示，其中环境⑦、⑧、⑨的空气流通速度依次增加。

表7 实验结果（改变空气流通速度）

依据表7，分别计算三种环境下失水量平均值，得：

实验结果表明：随着环境中空气流通速度的增加，在一定范围内，电池放电失水量逐渐增加。当锌空气电池气体扩散电极表面风速从1.2m/s升至3.5m/s时，电池失水量明显增加。但其表面风速从自然对流时的0m/s升至强迫对流的1.2m/s时，其失水量无明显区别。一方面，强迫对流加速了水蒸气的蒸发，使水分扩散速率加大；另一方面，强迫对流使得电池表面温度降低，又降低了电池水分的扩散速率。

2.5 干热环境与湿冷环境对电池失水的影响

为了更全面地研究环境因素对锌空气电池失水的影响，将电池放置在在干热和湿冷两种极端环境下工作。

实验结果：在干热的环境下，电池失水量为39.29 g；在湿冷的环境下，电池无水分散失，吸收水蒸气2.02 g。

实验表明：当电池工作的环境温度为(70±1)℃，相对湿度为30%±5%时，电池失水量可达到39.29 g，约占电池总含水量的56.98%。更多实验表明，当电池含水量低于50%时，电池将无法正常工作。当电池工作的环境温度为(2±1)℃，相对湿度为90%±5%时，电池会通过气体扩散电极吸收空气中的水蒸气，一定程度上阻碍了氧气与电池的反应，使得电池的工作性能降低。

3 结论

通过锌空气电池在不同环境下的恒流放电实验，检测电池的失水情况。当环境相对湿度增加，电池的失水随之减少；环境温度上升，电池的失水随之增加。当环境温度达到(70±1)℃，相对湿度为30%±5%时，电池自身失水导致其含水量小于50%，此时电池将无法正常工作。当工作环境过于湿润寒冷，电池的性能也会大大降低。

通过考察环境因素对锌空气电池失水的研究，认识到环境对锌空气电池的工作性能有很大的影响。在将来锌空气电池的设计与应用中，如何使电池在高效工作的同时保证水分尽少散失，应该给予足够的重视。

[1]吴曜佐，李书锋，林秋丰，等.不同空气阴极表面结构之锌-空气燃料电池性能[J].北京科技大学学报，2012，34(10)：1178-1183.

[2]黄伟国，王先友，汪形艳，等.碱性锌-空气电池阴极催化剂的制备及其性能[J].电源技术，2006，30(4)：294-297.

[3]褚有群，马淳安，张文魁.碱性锌空气电池的研究进展[J].电池，2002，32(5)：294-297.

[4]赵晶.水分交换对锌空气电池性能的影响[J].化工之友，2007，9 (7)：47-48.

[5]李芬.锌空气电池之气体扩散电极性能研究[D].合肥：中国科学技术大学，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

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