基于數字圖像技術的鋅氧電池正極材料分布模擬

崔建弘，楊靜宜，張微微，董自強

(1.河北工程技術學院，河北石家莊050000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，北京100032)

基于數字圖像技術的鋅氧電池正極材料分布模擬

崔建弘1，楊靜宜1，張微微1，董自強2

(1.河北工程技術學院，河北石家莊050000；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，北京100032)

采用數字圖像的處理方法模擬了鋅氧電池正極內部不同成分的分布情況，直觀了解其內部各材料的分布情況及連通性，也可對電極內部所發生的化學催化、導電和電解液浸入等過程進行更詳細地解釋，同時有利于設計不同優勢的正極，并對其催化性、浸液量及導電性等性能進行驗證。研究結果表明，當石墨比例增大時，電極的導電性增強，當活性炭的含量增加時，電極的吸液能力增強。當乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭的質量比為1∶1∶2∶4時，二氧化錳的催化區域最適宜。

鋅氧電池；圖像處理；正極

在設計制作鋅氧電池的正極(空氣電極)時，一般采用稱重的方法確定各成分的質量，但這種方法只能對正極的成分構成有一定了解，不能直觀地觀察各成分的分布及連通情況，不能準確了解電極內部電解液的浸入過程及化學催化場所[1]。當所摻混的材料較多時，實驗測量方法存在一定的局限性。本文采用數字圖像的方法對正極中乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭等材料的分布情況及連通性進行研究，從而對電極的空間結構有更深刻的認識，同時也有利于正極的設計。

1 實驗方法

本文假設如下：正極中各材料成分混合均勻且充分分散；各材料成分以圍棋盤式正對的方式排布；各成分微粒大小相同。實驗中所使用的電極需經過輥壓，輥壓后乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭各材料的密度分別為 1.26、2.65、3.23、1.67 g/cm3。將各材料的質量之比轉化為體積之比后，再轉化為圖像輸出，以便于后續觀察。

根據預先設定的各材料的比例，對像素為250×250的圖片中的像素點進行隨機賦值，從而得到所有材料分布情況的圖像，通過這種方法即可對各材料的連通性及分布進行研究。為了便于區分，將每個5×5的像素矩陣設為1個單元格并進行賦值及染色，最終得到一個二維網格(50×50單元格)。對配比不同的電極二維網格進行輸出，發現所輸出微粒的分布情況與各微粒的連通性一致，圖1所示為所輸出圖像的示意圖。因此，通過該方法可以對正極中各材料微粒的空間分布情況及連通性進行觀察，具有一定的可行性。

2 實驗結果與分析

圖1 活性炭分布情況

由于電極的吸液能力與其導電性之間沒有任何關系，電極發生反應時，石墨通道是電子轉移的主要通道，而具有較多孔體的活性炭是電解液浸入的主要通道，所以需要驗證電極的吸液能力和導電性時，只需要將乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭的質量比為1∶4∶1∶1的電極1與質量比為1∶1∶1∶2的電極2進行對比即可。本實驗相關數據采用85C1電壓電流表進行記錄。制作電極時，將乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭混合均勻后，加入酒精成團后涂在面密度為(500±5)g/m2泡沫鎳的兩側，隨后在320℃的溫度下烘烤30 min，定型后取出碾壓為0.5 mm厚的薄片備用[2]。實驗共設A、B、C、D四組電極，放電面積的有效值均為17.35 cm2，四組電極中乙炔黑、石墨、二氧化錳、活性炭的質量比分別為1∶1∶0∶4、1∶1∶1∶4、1∶1∶2∶4、1∶1∶3∶4。

實驗過程中，以電阻的形式將電極1、電極2串聯在外接電路中，在電流為10 A的條件下對電壓值進行測量，通過串聯電阻的形式可使兩電極所流過的電流相等，這樣壓降較大的電極電阻較大，即可得知兩電極的導電性。實驗所得電極1、電極2的壓降分別為0.02、0.037 V，圖2所示為電極中石墨的分布情況。觀察可知，石墨較多的電極1中三維空間的連通性較好，由于與其它三種材料相比，石墨的電導率較高，當石墨互相連通后，反應產生的電子就會沿著石墨路徑進行定向移動，結果就使得電極兩端的壓降降低。石墨較少的電極2中的石墨處于離散狀態并沒有連通，反應產生的電子沿著導電性較差的乙炔黑、活性炭路徑移動，這使得電極的電阻較高，電極兩端的壓降較大[3]。經比較可知，圖像分析所得的結果與實驗所得結果一致。

圖2 石墨分布情況

鋅氧電池發生反應的區域在催化劑、電極內的空氣、電解液的交界線上，而其中電解液的分布情況和浸入量的多少對該交界線的長度有直接影響，所以電極中的最重要技術指標之一就是吸液能力。在吸滿電解液(33%KOH)的海綿上鋪一層堿錳電池隔膜紙，其中濕潤的隔膜紙可作為電極的液體邊界條件，在表面張力的作用下，電解液會浸入電極，此時電解液的浸入通道為活性炭的微孔結構。在測量浸液量時，將浸液后的正極抽離隔膜紙后，放于數字天平上進行稱重，從而得到電極所增加的質量。電極的增重包括浸入電極的液體和電極外表面的液體兩部分。測量附著在電極外表面的液體質量時，將干燥的正極放于隔膜紙的上方然后立即抽出，此時只有正極的表面存在電解液的薄膜，而此時電解液還沒有浸入電極內，當正極較干燥時增重為0.92 g，多次測量比較后，誤差小于0.05 g，在允許范圍內，所以采用這種測量方法可行。電極所增加的質量與其外表面所附著液體的質量相減即得到電極內部所吸入液體的質量。

圖3為電極1、電極2浸液量隨時間的變化情況，觀察可發現，電極1和電極2的變化趨勢類似，由于電解液在浸入時填充了材料各顆粒間、泡沫鎳骨架與材料之間的空隙。觀察圖1可發現，電極1中活性炭在空間上處于獨立狀態，電極2中的活性炭及電解液處于連通狀態，此時電解液在表面張力的作用下向前不斷推進[4]。電極2吸液的速度比電極1快，主要是因為電極2中微孔結構較多的活性炭能夠彼此連通，從而為電解液的浸入提供了通道，使電解液能夠更快浸入電極內。

圖3 電極浸液量隨時間變化情況

二氧化錳在電極中主要起催化作用，當電極中二氧化錳的含量不足時會降低其化學反應的活性，但當二氧化錳的含量過高時會導致電極的導電性下降，所以合理選擇二氧化錳的含量對電極的性能非常重要。實驗中共設計了四組二氧化錳含量不同的電極進行放電實驗，經過對其圖像進行觀察分析其合理的催化空間。圖4所示為編號B、C、D的電極中二氧化錳的分布情況(樣品A中不含二氧化錳)，圖5所示為其所對應的放電曲線。觀察可發現，二氧化錳顆粒最理想的分布情況為互不連結且盡可能多地分布于電極內部，此時其所能催化的區域最大[5]。觀察圖5可發現，電極C的放電性能最好，此時二氧化錳顆粒互不連結且分布較均勻，二氧化錳顆粒最大限度地對周圍區域所發生的化學反應進行催化，且不會對電子的傳導路徑產生阻礙。對二氧化錳催化區域進行分析時，實驗也很好地驗證了圖像中的現象。

圖4 二氧化錳分布情況

圖5 編號A、B、C、D的電極放電曲線

3 結論

本文采用數字圖像的處理方法分析了正極內部材料成分配比不同時，其內部材料的分布規律及連通性，同時對電極內部所發生的化學催化、導電和電解液浸入等過程進行了分析。通過該方法可合理設計二氧化錳催化的區域和通過空氣電解液通道提高電極的放電性能。通過將實驗所得結果與圖像表現出來的性質進行對比可發現，二者所得結論一致。這也說明，通過本文的數字圖像法可以得到不同配比下正極的催化性能、浸液量及導電性的區別。

[1]葛浩森，李清宇，王乾，等.鋅氧電池氣體擴散電極浸液量對放電性能的影響[J].實驗力學，2014(3)：353-360.

[2]李彥龍，王為.金屬-空氣電池中正極的研究進展[J].電源技術，2015(5)：1106-1109.

[3]王凌巖，謝凱，王琿，等.碳的孔分布對鋰空氣電池正極性能影響[J].電源技術，2012(9)：1287-1290.

[4]王瀛，張麗敏，胡天軍.金屬空氣電池陰極氧還原催化劑研究進展[J].化學學報，2015(4)：316-325.

[5]麻微，陳何，王紅，等.鋰空氣電池正極研究進展[J].電源技術，2013(1)：152-155.

Simulation of zinc oxide battery cathode material distribution based on digital image technology

CUI Jian-hong1,YANG Jing-yi1,ZHANG Wei-wei1,DONG Zi-qiang2
(1.Hebei Polytechnic Institute,Shijiazhuang Hebei 050000,China;2.China Electronic Technology Group Corporation Fifty-fourth Institute,Beijing 100032,China)

Zinc oxide battery positive electrode internal components of different distribution was simulated by the digital image processing method,and the internal materials distribution and connectivity could be intuitive understand.The processes of chemical catalysis, conductive and the electrolyte immersion, which happened inside the electrodes,were for more detailed explanation.It was helpful to the advantages of different design of the cathode.Then the catalytic,extract content and electrical conductivity properties were verified.Research results show that when increasing the proportion of graphite the electrode conductivity enhanced,the suction capacity of the electrode become stronger when the activated carbon content increased. When the ratio of acetylene black and graphite,manganese dioxide,activated carbon mass was 1∶1∶2∶4,the catalytic region of manganese dioxide was the most suitable.

zinc oxide battery;image processing;cathode

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1424-03

2017-03-12

2014年度河北省第十屆社會科學立項研究課題(SZ201429)

崔建弘(1980—)，女，河北省人，講師，主要研究方向為計算機應用技術。