化成电解液浓度对锌银电池电极影响分析

化成电解液浓度对锌银电池电极影响分析

王幸 ,李海君 ,刘维

贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市  563000

摘要：化成是电池生产工艺当中不可或缺的环节，对银电极制备质量影响极大，还会对锌银电池的整体性能产生影响。如今，人们越来越重视锌银电池极板化成管理，实践工作要求不断提升，为提质增效，必须严控实践细节。本文聚焦化成电解液浓度对锌银电池电极的影响，结合研究实验进行简要探讨。

关键词：锌银电池；极板化成；电解液

前言：锌银电池的实用价值较高，备受市场青睐，是军工领域最为主要的化学电源之一。随着科技发展，锌银电池比能量要求不断提升，使人们不得不加深电池能量扩容方面的研究。在这一过程中，提高银电极的性能十分重要，而作为银电极制备的关键性工序，化成受到广泛关注。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

1锌银电池的优点和缺点

    锌银电池属于常见的高比能量电池之一，它的质量比能量为100-120Wh·kg-1，而体积比能量为180-220Wh·dm-3，远超铅酸电池、铁镍电池，略逊于锂离子电池。比能量较高此类电池的优势，除此之外它的大电流放电特性也比较优越，放电电压平稳性强；而且，锌银电池拥有良好的力学性能和贮存性能，保存得当的情况下即便储存10年以上也不会出现大幅度的性能衰减。不过，锌银电池也有着一定的缺陷，高低温环境中容易产生放电或易腐蚀情况，电池的循环寿命和湿贮存寿命也相对较短，制作原料较为昂贵。正是由于锌银电池造价高昂，所以此类电池的民用化道路备受阻碍，其主要应用方向依然是宇宙航行、人造卫星电源。

2锌银电池基板化成原理

所谓化成就是电池的首次充放电循环过程，能起到激活电池中的活性物质的作用，可利用这一操作让电池“活化”。在化成环节，电解液浓度以及温度都会影响化成效果，更会影响电池的最终性能。锌银电池的基板化成是基于充电改变锌银电池极板状态，使其从放电变成荷电，从而让电池生产工序保持完整的过程。目前，主要的锌银电池化成方法是单化成工艺，即利用化成将银极板转变为氧化银极板；实践中需要使用辅助极板，化成后的银电极通常需要清洗除碱、常温晾干后才可使用[1]。从本质上来看，化成也属于充电方法。为保证充分活化，可按照连续两个充电、放电循环的方式化成。

3锌银电池化成中电解液浓度的影响

随着现代科学事业飞速发展，锌银电池的应用场景增加，而且此类电池的性能要求也进一步提升。对于电池生产者而言，想要满足锌银电池比能量要求的持续提升需求，就必须改进电池制备模式，提高电池化成有效性。所以，本文以现有的锌银电池电极制备技术为依托，从调整化成电解液浓度的角度出发探讨锌银电池扩容策略。研究以实验方式进行，通过分析化成电解浓度对锌银电池电极的影响，寻找最适宜的化成电解液浓度标准。

3.1实验过程

本次实验的重点在于锌银电池组装与放电，样品是经过了电极制备和极板化成的单体锌银电池，根本目的是通过调整化成电解液浓度明确这一变量对锌银电池正极容量的影响，为控制电池电压、提高电池性能提供辅助。实践中，需要依次完成以下操作：

第一，制备电极。制作完成的锌银电池电极，必须符合质量标准。以阴极板制备为例，采用烧结式银极板，按照银粉分解（醋酸银热分解）、铺装、压制、烧结、冷却整理等工序制造极板[2]。制备环节必须严格控制银粉重量，且需使用专用模具，在模具中倒入银粉时可使用有机玻璃刮板作为工具。需要注意的是，模具中的银粉需保持平整和均匀，避免出现厚度不齐或向外扑出的情况。本次实验所用的电极，应按照单片4.4g（负极质量）和单片4.0g（正极）质量制备；而且，所有极板都应该经过化成，在化成阶段还需要让化成的电流与时间保持完全相同。

第二，零件装配。前期准备工作完成后，可将极板以及电池隔膜组装成试验样品。化成电池装配环节，需要利用隔膜包裹极板，银电极以及锌电极的安装数量都是6片，而配套的电池隔膜则为2层。操作时，按银电极-隔膜-锌电极顺序依次单装，然后将其整体放入单体槽之中。实际作业环节，应完成装配再加入化成电解液。

第三，变量测试。为明确化成电解液浓度对锌银电池电极的影响，操作人员需要先做好变量控制。实践中，温度以及化成电解液浓度皆为变量，为测试后者对电极的影响需要保证前者不变。在控制温度变量时可采用保温箱，在实验室中打造恒温环境（30℃），即在箱中放入“电解液+试验品+注射器”，在2小时恒温状态下不断调整电解液浓度完成实验记录[3]。选用KOH溶液（D=1.30g/mL）作为本次实验的电解液，将18mL电解液注入实验单体，从停止注入的时间开始进行60s浸润，然后在恒温环境下以1.3V为截止电压，按照0.5C（0.5              A）恒流放电。在这一过程中，操作人员需要不断调整化成电解液的浓度，将浓度为1.1g/mL-1.4g/mL的电解液按照依次递增0.1g/mL的标准分四次滴入化成极板，将正负极充电浓度分别控制在105.5%和105%，并按照电解液浓度由高到低的顺序开展放电测试和结果记录。

3.2结果讨论

实验所用电池产品的工作电压上限为33V，下限是26V；产品设计环节可基于20个单体串联成组合电池，并且精准控制电压。为满足技术指标要求，小电流0.5C放电时，单体电池电压不得超过1.65V。结合实践可知，锌银电池化成环节，端电压高于电动势，二者差距与极化程度有关，受多元极化过电位影响。事实上，锌银电池充电电压变化与下列因素相关：（1）电解液温度；（2）充电电流密度；（3）电解液浓度；（4）极限扩散电流密度。

从实验结果上来看，单体A（化成电解液浓度为1.1g/mL）、B（化成电解液浓度为1.2g/mL）、C（化成电解液浓度为1.3g/mL）的平稳电压都集中在1.52-1.54V之间。在平稳电压状态下，化成电解液比重和电压的变化呈正相关，即前者增加后者也增加，但电压增幅有限均未超过1.547V。与这三个极板相比，极板D（化成电解液浓度为1.4g/mL）最高电压较为特别，高达1.656V。从原理上来看，化成电解液浓度变大，会增加电极表面的OH-，更有利于化学反应和银电极孔率生成，会使得电极内阻下降、放电电压升高；反之，电极浓度低则内阻大，放电电压低。

当正极充电深度为105.5%，负极充电深度为105%确切化成电解液浓度不同时，化成极板的主要成分含量明显不同，具体情况如表1。从中不难发现，化成电解液浓度与负极活性物质含量之间形成了正比关系，即浓度越高、锌含量越高、负极转化率越高。从正极变化方面来看，化成电解液浓度变化与正极容量之间的关系更为复杂。在A-C三类单体中均呈现出浓度越高、容量越大的规律，但单体D并不遵守这一规律，正极中二氧化银和银含量远超前三类，但活性物质氧化银的含量明显低于前三者；这意味着，单体D的正极内阻最小，但电压最高，符合实际放电结果。

表 1 化成电解液浓度不同时极板成分统计结果

经过上述实验，可得出结论：若其他条件不变，但化成电解液浓度发生变化，依然会让电极结晶过程受到影响；银电极结晶形貌、单体电池电压与容量都会浓度变化而改变。化成电解液浓度变化引发的锌银电池正极容量增加，存在先增后减情况，最适宜的极板化成电解液是1.1g/mLKOH溶液。

结束语：综上所述，在锌银电池化成过程中，化成电解液的浓度不同时电极受到的影响存在明显差异。事实上，电解液浓度越高，越能降低电极内阻，那么锌银电池的放电电压就会越高。但是，当化成电解液的浓度过高时，也会造成锌银电池电极容量下降，综合来看最佳化成电解液（KOH）浓度应控制在1.1g/mL。

参考文献：

[1]罗松,蔡卫红,宋坚,等.环境温度对湿态锌银电池使用的影响[J].电源技术,2020,44(05):720-722+726.

[2]胥涛.化成电解液浓度对锌银电池电极的影响[J].化工设计通讯,2020,46(03):180+200.

[3]刘延东,刘孟峰.氧化银电极对锌银贮备电池激活时间的影响[J].电源技术,2019,41(09):1301-1303.