锌银电池大电流放电平稳性研究

王勇

(91550部队，辽宁大连116023)

锌银电池大电流放电平稳性研究

王勇

(91550部队，辽宁大连116023)

为了改善锌银电池大电流放电电压平稳性，研究了浅充电制度(充电容量为正极理论容量30%且大于负极理论容量)、薄电极成形技术(保持活性物质的量，减薄正、负电极厚度，增加正、负电极的片数)等方法。经实验验证，浅充电制度可提高大电流放电电压平稳性，但损失一定的电池容量，薄电极成形技术能显著提高大电流放电电压平稳性，且不损失电池容量。

锌银电池；大电流放电；电性能；电压平稳性

锌银电池的比能量高、大电流放电能力强，被广泛用作通讯、航空、航天和特殊电子仪器设备的配套电源[1]。刘彬等通过实验研究了隔膜、电解液密度、电极导电骨架(导电网)及负极缓蚀剂对高功率锌银电池(HPZAB)设计性能的影响[2]。张瑞阁等研究得出锌银贮备式电池贮存失效的主要原因是电性能下降，主要体现在电压下降和容量损失[3]。技术的日益发展对锌银电池提出了更苛刻的要求，如更高的比能量和比功率、更平稳的放电电压和更高的安全可靠性[2]。在各种恶劣工况下，特别是高、低温条件要求大功率、大电流放电仍然维持原有的工作电压范围，显然增加了设计上的难度。锌银电池分为贮备式锌银电池和锌银蓄电池，本文主要讨论贮备式锌银电池的情况。通过对锌银电池电极的设计技术、电极充电制度等方面的研究，以期提高锌银电池在大电流、大功率放电情况下工作电压的平稳性能。

1 贮备式电池工作原理

锌银贮备式电池主要由电池堆、气体发生器、贮液器、外壳和电连接器等组成。电池堆是将若干个串联的单体电池和电解液分配系统有机结合在一起的部件。通常单体电池为干荷电状态，由一定数量的锌电极(负极)、氧化银电极(正极)和防止两种电极短路的隔膜所组成，通过单体电池正、负极上发生的化学反应，电池组将化学能转变成电能对外供电。电解液分配系统起着控制气液流量(或流速)保证电解液均匀分配至各个单体电池的作用。气体发生器是激活电池组的动力源，主要由点火装置、火药柱及其燃烧室组成。使用时，用外接直流电源点燃气体发生器产生高压气体，将贮液器中的电解液推入电池堆中，电池组即可对外供电。外壳作为电池的密封保护装置，是盛装电池堆、加热系统等的容器，保证电池在整个工作过程中结构不被破坏，而且能承受各种力学环境和空间环境。电连接器是电池组内外输入、输出的装置。

贮备式电池转入工作状态时，用直流外电源点燃气体发生器，产生高压气体将贮液器两端的封膜冲破，把存放于贮液器中的电解液迅速推入电池堆内。经过较短的时间电池即可对外输出电能。

电池工作过程中，正负极电化学反应分别如式(1)和式(2)所示：

2 实验

2.1 通用电极放电实验

按目前常用锌银电池电极制备方法生产电极，进行大电流放电性能实验。正极采用银粉制备，负极用氧化锌粉、锌粉、氧化汞和粘接剂制备。电池在15、60℃两个温度条件下进行80、230 A电流放电实验，实验结果见表1。

表1 通用电极放电结果

2.2 浅充电制度实验

通常情况下，要求锌银电池具有最大的质量比能量和体积比能量，所以电极均采用深充电制度，即充电容量分别为正极理论容量的120%～130%、负极理论容量的110%[4]。本次实验通过改变电极的充电深度，进行测试和分析。实验中采取充电容量为正极理论容量的30%(但略大于负极理论容量)的充电方式加工生产电极，电池以80、230 A电流进行放电，在15及60℃两个温度条件下进行实验。表2为浅充电制度放电结果。

表2 浅充电制度放电结果

2.3 薄电极技术实验

相对于目前的电极技术水平，采用薄电极成形技术。在保持电池活性物质总量不变的情况下，以减薄正、负电极厚度及增加电池正、负电极片数的方法进行实验。技术实现途径：负极物料中粘接剂的含量为2%，并减少负极物料的量，负电极的成型压力在原基础上提高50%；减少正极物料的量，正电极的成型压在原基础上提高80%，并将正电极的烧结温度[4]在原基础上提高60℃。加工生产电极，电池以80、230 A电流进行放电，在15及60℃两个温度条件下进行实验。表3为薄电极放电结果。

表3 薄电极放电结果

3 实验结果分析

3.1 电化学极化

3.2 电子导体的欧姆极化

欧姆极化主要由连接电极的导体及正、负电极内部组成的电子导体两部分极化组成。连接电极的导体材料确定后该部分欧姆极化随之确定，而正、负电极内部组成的电子导体极化则由电极物料的组成来确定。

电极物料组成决定了欧姆极化的大小。正极银电极的组成有如下5种情况：①一价氧化银；②一、二价氧化银；③二价氧化银；④一、二价氧化银及单质银；⑤一价氧化银及单质银。由于单质银、一价氧化银、二价氧化银的导电性能差异，导致上述五种组成的欧姆极化依次减小。负极锌电极的组成则为两种：①单体锌；②单质锌和少量氧化锌组成。无论从哪个角度，负电极的组成全部为单质锌是最好的。电极物料的组成可以通过充电制度来确定。本次实验采用浅充电制度，电极化成后正极为大部分一价氧化银和单体银组成，负极全部为单质锌，所以导电性能好，极化小，内阻低。

3.3 电解质的浓差极化

影响电解质浓差极化的因素有电解液种类、浓度、电解液的量及温度。锌银电池通常使用碱性电解液，实验中选用导电性能最好的氢氧化钾，配制成导电能力最强的40%的水溶液；并根据理论计算及实验，确定最佳的电解液用量。温度高，电解质的粘度小、传质速度快，浓差极化小，内阻小；温度低，电解质的粘度大、传质速度慢，浓差极化大，内阻大。对于电池的使用温度，这是环境的温度所确定的，在没有热源供给的情况下，电池必须满足工作环境温度要求。本次实验采用相同的电解液配比，在15和60℃两种温度下进行比较，降低电解质的浓差极化影响。

对比表1～表3的实验结果，可以得出以下结论：采用浅充电方法，有效降低了电池的欧姆极化内阻，可以适当提高大电流放电工作电压的平稳性能，但该方法损失了电池的部分容量；采用薄电极成形技术，增加电池发生电化学反应的面积，减小了电池组在大电流放电条件的电流密度，降低了电化学反应的极化内阻，显著提高了工作电压的平稳性，而且该方法不会损失电池容量。

4 结束语

相对于目前的电极制备技术水平，采用薄电极成形技术，在保持电池活性物质总量不变的情况下，减薄正、负电极厚度及增加电池正、负电极片数的方法，可以有效提高锌银电池大电流放电时工作电压的平稳性能。电极充电制度采用正极理论容量30%、大于负极理论容量的浅充电方法，可以适当提高工作电压的平稳性，但效果不如薄电极成形技术，而且该方法将牺牲电池的一部分容量。

[1]段志宇，张锡军.锌银电池隔膜的阻银迁移能力[J].电池，2009，39 (2):96-98.

[2]刘彬，张锡军，段志宇.高功率锌银电池设计思路的探讨[J].电池，2011，41(3):138-140.

[3]张瑞阁，关海波，宋杨，等.锌银贮备电池贮存失效模式与失效机理探讨[J].电源技术，2012，36(3):358-361.

[4]郭炳焜，李新海，杨松青.化学电源-电池原理及制造技术[M].长沙：中南大学出版社，2009：13-19.

[5]贾志军，马洪运，吴旭冉，等.电化学基础(V)-电极过程动力学及电荷传递过程[J].储能科学与技术，2013(4)：402-409.

Study on voltage stable performance of large current Zn-Ag battery

In order to improve the discharge voltage stable performance of large current battery,the technology of shallow charging,the forming technology of thin electrode and others about the Zn-Ag battery were discussed.For the shallow charging mode, the charge capacity is 30%of theoretical cathode capacity and it is higher than the theoretical anode capacity,the discharge voltage will be stable but parts of battery capacity lose.For the technology of thin electrode forming,the discharge voltage will be better when the thickness of the cathode and anode reduce and the number of both increase while keeping the total amount of the active substance.

Zn-Ag battery;large current discharging;electrochemical performance;voltage stable performance

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1221-02

2016-01-20

王勇(1977—)，男，河北省人，工程师，主要研究方向为装备试验与鉴定。