空氣電極表面滲液機(jī)理的研究

楊永青,徐獻(xiàn)芝,潘 奎

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽合肥 230027)

在鋅空電池放電過程中,空氣電極表面會(huì)出現(xiàn)滲液現(xiàn)象,即堿液透過防水膜滲到空氣電極表面[1-2]。這一現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能。當(dāng)滲液過多時(shí),液體會(huì)堵塞空氣正常的流通通道,同時(shí),催化顆粒表面的液膜會(huì)增厚。根據(jù)薄液膜理論[3],液膜增厚會(huì)大大減少高效率的三相反應(yīng)界面,使電池?zé)o法在大電流條件下工作;滲液過多,還會(huì)使得電池失水增加,影響鋅電極的利用率。

本文作者針對(duì)上述現(xiàn)象,通過聚四氟乙烯(PTFE)表面特性實(shí)驗(yàn)和列斯實(shí)驗(yàn)[4],對(duì)空氣電極表面的滲液機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 PTFE表面特性實(shí)驗(yàn)

PTFE膜的處理:將 PTFE膜(上海產(chǎn),110 mm寬、0.1 mm厚)在33.3%KOH(上海產(chǎn),≥99%)溶液中、密封的條件下(防止CO2對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響)浸泡120 h。之后,取出PTFE膜,用電吹風(fēng)機(jī)吹干。

在未經(jīng)處理和經(jīng)過處理的PTFE膜上分別滴上33.3%KOH溶液,觀察液滴的情況。

將所得圖片導(dǎo)入CoreDRAW軟件中,利用快速描摹功能,得到接觸角的數(shù)據(jù)。

1.2 列斯實(shí)驗(yàn)

1809年,俄國科學(xué)家列斯發(fā)現(xiàn)了電滲現(xiàn)象,即:液體在電場(chǎng)中對(duì)固體表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng),需要半徑為10-6～10-7m的毛細(xì)管,在外加電場(chǎng)的作用下,毛細(xì)管內(nèi)的液體沿管壁的流動(dòng)[4]。

本文采用與列斯實(shí)驗(yàn)類似的裝置,在濕粘土(合肥產(chǎn),≥95%)中插入兩根聚乙烯吸管(長25 cm,內(nèi)徑為4 mm),里面注入等高的導(dǎo)電液體,然后通上直流電,過一段時(shí)間,就能觀察到吸管中液體高度的變化,接負(fù)極的液柱下降,接正極的液柱上升,通過測(cè)量?jī)晒芤褐母叨炔?判斷電滲現(xiàn)象的強(qiáng)弱。

1.2.1 導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)電滲的影響

將K2CO3(上海產(chǎn),≥90%)、NaCl(上海產(chǎn),≥99.5%)、BaCl2(上海產(chǎn),≥98%)和KOH分別配成 20%的溶液,注入吸管作為導(dǎo)電介質(zhì)(或以自來水作為導(dǎo)電介質(zhì))。每次實(shí)驗(yàn)完成后,更換吸管和導(dǎo)電介質(zhì)。在其他條件相同的情況下,通250 V直流電源并記錄兩根吸管中液面的高度,每次通電持續(xù)時(shí)間為30 min。

1.2.2 電壓對(duì)電滲的影響

改變電壓,在其他條件相同的情況下,通直流電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄各電壓下兩管液面的高度。每次通電持續(xù)時(shí)間為30 min,導(dǎo)電介質(zhì)均為20%KOH溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 PTFE表面疏水能力的變化

PTFE表面特性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見圖1。

圖1 PTFE表面特性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果Fig.1 Results of surface property experiment of PTFE

從圖1可看出,在KOH溶液中浸泡會(huì)改變PTFE膜的疏水特性,使膜的疏水性變差。PTFE膜的接觸角在浸泡前一般是140°～150°,在浸泡后一般是110°～120°,有些甚至更小。

一般情況下,空氣電極的粘結(jié)和疏水材料的主要成分是PTFE,經(jīng)過堿性溶液的浸泡,PTFE的疏水能力顯著降低,而且這種疏水能力的降低會(huì)隨著使用時(shí)間的延長而越發(fā)明顯,使得滲液發(fā)生的可能性增大。

2.2 導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)電滲的影響

導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)電滲影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 導(dǎo)電介質(zhì)對(duì)電滲的影響T able 1 Effects of electric conduction medium to electroosmosis

從表1可知,導(dǎo)電介質(zhì)為KOH和K2CO3時(shí),液面高度差較大,分別為30 mm和33 mm;導(dǎo)電介質(zhì)為NaCl、BaCl2和自來水時(shí),液面高度差較小,分別為5 mm、4 mm和3 mm。

KOH和K2CO3都是堿性物質(zhì),表面張力對(duì)通電較為敏感,而鋅空電池以KOH溶液作為電解液,因此滲液的可能性較大。

2.3 電壓對(duì)電滲的影響

只要有電壓,就會(huì)出現(xiàn)電滲現(xiàn)象。在KOH溶液中,電壓高低對(duì)電滲影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 電壓對(duì)電滲的影響Table 2 Effects of voltage to electroosmosis

從表2可知,液面高度差與電壓的關(guān)系不大,高度差的平均值為30.4 mm,最大值為36 mm,最小值為 24 mm。

3 結(jié)論

在所有影響空氣電極滲液?jiǎn)栴}的因素中,電壓是引起空氣電極滲液?jiǎn)栴}的先決條件,只要有電壓,不管多小,都會(huì)發(fā)生電滲現(xiàn)象,電壓的高低對(duì)電滲強(qiáng)弱幾乎沒有影響。這是鋅空電池在工作過程期間總會(huì)出現(xiàn)滲液現(xiàn)象的原因。

在研究的導(dǎo)電介質(zhì)中,電滲現(xiàn)象表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈的是KOH。鋅空電池所用的電解液是KOH溶液,因此在電池工作期間,更容易出現(xiàn)電滲現(xiàn)象。

PTFE膜經(jīng)過KOH溶液浸泡,疏水性會(huì)降低,使電滲更容易發(fā)生。這是多次使用的空氣電極更易出現(xiàn)電滲的原因。

致謝:本文得到梁又文、李海岳、呂瑩和朱喬喬等同學(xué)的大力支持,在此深表感謝。

[1]LI Fen(李芬).鋅空氣電池之氣體擴(kuò)散電極性能研究[D].Hefei(合肥):University of Science and Technology of China(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)),2010.

[2]LIU Yun(劉云).堿錳電池漏液及采取對(duì)策[J].Dianchi Gongye(電池工業(yè)),2001,6(6):253-254.

[3]CHEN Chong-mu(陳崇木).鎂及鎂合金薄液膜下腐蝕行為研究[D].Harbin(哈爾濱):Harbin Engineering University(哈爾濱工程大學(xué)),2009.

[4]ZHAO Xiao-lei(趙曉磊).陰極電泳涂料的研究[D].Qingdao(青島):Qingdao University of Science&Technology(青島科技大學(xué)),2009.