新能源材料-金屬空氣電池

1、功能材料研究所1 7.1 金屬空氣電池概述 7.2 空氣電極 7.3 鋅空氣電極 7.4 鋁空氣電池 7.5 鎂空氣電池 7.6 鋰空氣電池 7.7 鐵空氣電池第七章 金屬空氣電池功能材料研究所2 金屬空氣電池是一類特殊的金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池燃料電池，也是新一代綠色二次，也是新一代綠色二次電池的代表之一，被稱為是電池的代表之一，被稱為是面面向向2121世紀(jì)的綠色能源世紀(jì)的綠色能源。按照負(fù)。按照負(fù)極使用的金屬來分，常見的且實(shí)極使用的金屬來分，常見的且實(shí)用的有如下幾種：鋅空氣電池、用的有如下幾種：鋅空氣電池、鋁空氣電池、鐵空氣電池、鎂空鋁空氣電池、鐵空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池。主

2、要組成氣電池、鋰空氣電池。主要組成為正極（空氣電極）、負(fù)極（金為正極（空氣電極）、負(fù)極（金屬電極）。屬電極）。 7.1 金屬空氣電池概述金屬空氣電池概述功能材料研究所3 金屬空氣電池發(fā)揮了燃料電池的金屬空氣電池發(fā)揮了燃料電池的眾多優(yōu)點(diǎn)，將鋅、鋁等金屬像氫氣一眾多優(yōu)點(diǎn)，將鋅、鋁等金屬像氫氣一樣提供到電池中的反應(yīng)位置，與氧氣樣提供到電池中的反應(yīng)位置，與氧氣一起構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的電能產(chǎn)生裝置，一起構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的電能產(chǎn)生裝置，具有具有無毒、無污染、放電電壓平穩(wěn)、無毒、無污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、內(nèi)阻小、儲(chǔ)存壽命長、價(jià)高比能量、內(nèi)阻小、儲(chǔ)存壽命長、價(jià)格相對較低、工藝技術(shù)要求較低、高格相對較低、工藝技術(shù)要

3、求較低、高比功率等優(yōu)點(diǎn)比功率等優(yōu)點(diǎn)，既有豐富的廉價(jià)資源，既有豐富的廉價(jià)資源，又能再生利用，而且比氫燃料電池結(jié)又能再生利用，而且比氫燃料電池結(jié)構(gòu)簡單，是很有發(fā)展和應(yīng)用前景的新構(gòu)簡單，是很有發(fā)展和應(yīng)用前景的新能源。能源。7.1 金屬空氣電池概述金屬空氣電池概述功能材料研究所4 以以活潑固體金屬活潑固體金屬如鋁、鋅、鐵、鎂等為燃料源，以如鋁、鋅、鐵、鎂等為燃料源，以堿性堿性溶液或中性鹽溶液為電解液溶液或中性鹽溶液為電解液，電池中陽極為活潑金屬消耗電，電池中陽極為活潑金屬消耗電極，陰極為空氣擴(kuò)散電極，電解質(zhì)為中性鹽溶液或堿性溶液，極，陰極為空氣擴(kuò)散電極，電解質(zhì)為中性鹽溶液或堿性溶液，陰極反應(yīng)為氧氣還原

4、的電極反應(yīng)。陰極反應(yīng)為氧氣還原的電極反應(yīng)。 金屬空氣電池工作原理金屬空氣電池工作原理)401.0(442022VEOHeOHO 金屬空氣電池的金屬空氣電池的理論能量密度只取決于負(fù)極即燃料電極理論能量密度只取決于負(fù)極即燃料電極，這是電池中傳遞的唯一活性物質(zhì)，氧氣則在放電過程中從空這是電池中傳遞的唯一活性物質(zhì)，氧氣則在放電過程中從空氣中引入。金屬電極上的放電反應(yīng)取決于所使用的金屬、電氣中引入。金屬電極上的放電反應(yīng)取決于所使用的金屬、電解質(zhì)和其他因素，放電反應(yīng)的一般通式為解質(zhì)和其他因素，放電反應(yīng)的一般通式為 neMMn 功能材料研究所5金屬空氣電池工作原理金屬空氣電池工作原理這種這種伴生腐蝕反應(yīng)或者

5、自放電降低了負(fù)極的庫侖效率伴生腐蝕反應(yīng)或者自放電降低了負(fù)極的庫侖效率，所以必須得到控制，以減小電池的容量損失。所以必須得到控制，以減小電池的容量損失。反應(yīng)式中，反應(yīng)式中，M是金屬，是金屬，n是金屬氧化過程中的價(jià)態(tài)變化值，是金屬氧化過程中的價(jià)態(tài)變化值，大多數(shù)金屬在電解質(zhì)溶液中是不穩(wěn)定的，會(huì)發(fā)生腐蝕或大多數(shù)金屬在電解質(zhì)溶液中是不穩(wěn)定的，會(huì)發(fā)生腐蝕或氧化生成氧化生成H2。電池放電總反應(yīng)為電池放電總反應(yīng)為 nOHMOnHnOM)(42422 222)(HnOHMOnHMn 功能材料研究所6 金屬金屬/ /空氣電池空氣電池由具有反應(yīng)活性的負(fù)極和空氣電極經(jīng)電由具有反應(yīng)活性的負(fù)極和空氣電極經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反

6、應(yīng)偶合而成，它的正極反應(yīng)物用之不盡。在某些情偶合而成，它的正極反應(yīng)物用之不盡。在某些情況下，金屬?zèng)r下，金屬/ /空氣電池具有很高的質(zhì)量比能量和體積比能量?？諝怆姵鼐哂泻芨叩馁|(zhì)量比能量和體積比能量。這一體系的這一體系的極限容量取決于負(fù)極的安時(shí)容量和反應(yīng)產(chǎn)物的極限容量取決于負(fù)極的安時(shí)容量和反應(yīng)產(chǎn)物的貯存與處理技術(shù)貯存與處理技術(shù)。 已經(jīng)研究和開發(fā)過的金屬已經(jīng)研究和開發(fā)過的金屬/ /空氣電池有原電池、貯備空氣電池有原電池、貯備電池、可充電電池和機(jī)械再充式電池等。在電池、可充電電池和機(jī)械再充式電池等。在機(jī)械充電電池機(jī)械充電電池設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)( (即更換放完電的金屬負(fù)極即更換放完電的金屬負(fù)極) )中，電池在本質(zhì)

7、上相當(dāng)于中，電池在本質(zhì)上相當(dāng)于原電池，它的空氣電極為相對簡單的原電池，它的空氣電極為相對簡單的“單功能單功能”電極，只電極，只需要在放電模式下工作。常規(guī)需要在放電模式下工作。常規(guī)可充電金屬可充電金屬/ /空氣電池空氣電池需要一需要一個(gè)第三電極個(gè)第三電極( (用來維持充電時(shí)放出氧氣用來維持充電時(shí)放出氧氣) )或者一個(gè)或者一個(gè)“雙功能雙功能”電極電極( (一個(gè)既可以還原氧又可以析氧的電極一個(gè)既可以還原氧又可以析氧的電極) ) 。功能材料研究所7 空氣電池的正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，空氣電池的正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，電池的電池的電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在空氣電極和電解液形成的固液氣三電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在

8、空氣電極和電解液形成的固液氣三相界面相界面，所以它的電化學(xué)反應(yīng)速度受到氧氣從空氣中擴(kuò)，所以它的電化學(xué)反應(yīng)速度受到氧氣從空氣中擴(kuò)散進(jìn)來的速度以及在界面的反應(yīng)活性所控制。因而要提散進(jìn)來的速度以及在界面的反應(yīng)活性所控制。因而要提高空氣電池的放電電流密度，可以從兩方面進(jìn)行考慮：高空氣電池的放電電流密度，可以從兩方面進(jìn)行考慮：一是提高空氣電極的空氣擴(kuò)散能力一是提高空氣電極的空氣擴(kuò)散能力，即提高透氣性；，即提高透氣性；二二是提高固液氣三相界面的電化學(xué)反應(yīng)活性是提高固液氣三相界面的電化學(xué)反應(yīng)活性。而提高固液。而提高固液氣三相界面的電化學(xué)反應(yīng)活性，一般是通過選用催化性氣三相界面的電化學(xué)反應(yīng)活性，一般是通過選用

9、催化性能優(yōu)異的催化材料來實(shí)現(xiàn)。能優(yōu)異的催化材料來實(shí)現(xiàn)。7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所8 空氣電極反應(yīng)是在氣、固、液三空氣電極反應(yīng)是在氣、固、液三相界面上進(jìn)行的。相界面上進(jìn)行的。因?yàn)檠踉谒芤褐幸驗(yàn)檠踉谒芤褐械娜芙馑俣群蛿U(kuò)散速度都很小，采用的溶解速度和擴(kuò)散速度都很小，采用兩相電極時(shí)電流密度小，因此大多使兩相電極時(shí)電流密度小，因此大多使用三相電極。用三相電極。三相電極的結(jié)構(gòu)由活化三相電極的結(jié)構(gòu)由活化層（親水的催化層）、疏水層（疏水層（親水的催化層）、疏水層（疏水的氣體供應(yīng)層或防水透氣層）、導(dǎo)電的氣體供應(yīng)層或防水透氣層）、導(dǎo)電網(wǎng)（鎳網(wǎng)或鍍鎳銅網(wǎng)）構(gòu)成網(wǎng)（鎳網(wǎng)或鍍鎳銅網(wǎng)）構(gòu)成，電極內(nèi)，電極內(nèi)

10、部能否形成盡可能多的有效三相界面部能否形成盡可能多的有效三相界面將影響催化劑的利用率和電極的傳質(zhì)將影響催化劑的利用率和電極的傳質(zhì)過程。過程。7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所9 空氣電極過程是一個(gè)復(fù)雜的四電子反應(yīng)，而空氣電極過程是一個(gè)復(fù)雜的四電子反應(yīng)，而且可逆性很小且可逆性很小。 空氣電極作為正極，應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電能力空氣電極作為正極，應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電能力，以降低電阻，充分的力學(xué)穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)目紫?，以降低電阻，充分的力學(xué)穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)目紫堵剩陔娊赓|(zhì)中化學(xué)穩(wěn)定性以及長期的電化學(xué)穩(wěn)率，在電解質(zhì)中化學(xué)穩(wěn)定性以及長期的電化學(xué)穩(wěn)定性。定性。7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所10（1 1）炭

11、載體的影響）炭載體的影響 良好的載體可以最大限度地發(fā)揮催化劑的效能，并減少催良好的載體可以最大限度地發(fā)揮催化劑的效能，并減少催化劑的用量?；瘎┑挠昧俊鹘y(tǒng)的催化劑制備方法是將催化劑、活性載體傳統(tǒng)的催化劑制備方法是將催化劑、活性載體物（如活性炭、乙炔黑、石墨等）一起混合制備物（如活性炭、乙炔黑、石墨等）一起混合制備。載體材料。載體材料應(yīng)有優(yōu)良的吸附性能、大的表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。對于應(yīng)有優(yōu)良的吸附性能、大的表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性能。對于空氣電極吸附氧氣，同時(shí)也會(huì)吸附其他氣體雜質(zhì)?？梢圆捎每諝怆姌O吸附氧氣，同時(shí)也會(huì)吸附其他氣體雜質(zhì)?？梢圆捎昧己脤?dǎo)電性、吸附性能和大比表面的乙炔黑和具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)良好導(dǎo)

12、電性、吸附性能和大比表面的乙炔黑和具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、抗腐蝕、導(dǎo)電性能和細(xì)粒度的石墨作為載體材料。、抗腐蝕、導(dǎo)電性能和細(xì)粒度的石墨作為載體材料。7.2.1 電極組成及成分的影響電極組成及成分的影響7.2 空氣電極空氣電極 炭載體的主要作用是：分散催化劑；為電極提供大量微孔；炭載體的主要作用是：分散催化劑；為電極提供大量微孔；增加催化層的導(dǎo)電性。增加催化層的導(dǎo)電性。 目前用于炭載體的有目前用于炭載體的有活性炭和炭黑活性炭和炭黑。功能材料研究所11（2 2）催化劑的影響）催化劑的影響電催化劑必須具備的基本性能主要包括：電催化劑必須具備的基本性能主要包括： 良好的電催化劑活性；電化學(xué)穩(wěn)定性；一定的導(dǎo)電性良

13、好的電催化劑活性；電化學(xué)穩(wěn)定性；一定的導(dǎo)電性。后兩個(gè)性能一般較易測量與改進(jìn)，但是催化劑活性的影響后兩個(gè)性能一般較易測量與改進(jìn)，但是催化劑活性的影響因素則很多，大體上分為兩大類，即能量因素與空間因素因素則很多，大體上分為兩大類，即能量因素與空間因素，但是實(shí)際制備過程的復(fù)雜性與困難程度也直接影響電催，但是實(shí)際制備過程的復(fù)雜性與困難程度也直接影響電催化劑的比表面積、表面形狀、表面濃度以及各種晶面的暴化劑的比表面積、表面形狀、表面濃度以及各種晶面的暴露程度與缺陷等。露程度與缺陷等。 7.2.1 電極組成及成分的影響電極組成及成分的影響7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所12（3 3）黏合劑的影響）黏

14、合劑的影響 電極黏合劑要具有良好的黏性，使制備的電極具有一電極黏合劑要具有良好的黏性，使制備的電極具有一定的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)，還要有憎水性，可以構(gòu)建氣體網(wǎng)絡(luò)通定的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)，還要有憎水性，可以構(gòu)建氣體網(wǎng)絡(luò)通道，形成三相反應(yīng)界面；具有良好的導(dǎo)電性，以降低歐姆極道，形成三相反應(yīng)界面；具有良好的導(dǎo)電性，以降低歐姆極化?；３Ｓ玫酿ず蟿┦浅Ｓ玫酿ず蟿┦荘TFE（聚四氟乙烯（聚四氟乙烯），它是一種非極），它是一種非極性黏合劑，而堿性很好，但黏度很低。性黏合劑，而堿性很好，但黏度很低。300300左右熱壓時(shí)左右熱壓時(shí)PTFEPTFE形成三維網(wǎng)絡(luò)，使活性物質(zhì)不至于脫落。形成三維網(wǎng)絡(luò)，使活性物質(zhì)不至于脫落。

15、 7.2.1 電極組成及成分的影響電極組成及成分的影響7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所13（1）空氣中的）空氣中的CO2的影響的影響 在堿性環(huán)境中，二氧化碳會(huì)形成堿式碳酸鹽而沉積在電在堿性環(huán)境中，二氧化碳會(huì)形成堿式碳酸鹽而沉積在電極的微孔結(jié)構(gòu)中，故應(yīng)使空氣中的極的微孔結(jié)構(gòu)中，故應(yīng)使空氣中的CO2始終維持在始終維持在100 10-6 以下。以下。（2）其他影響）其他影響 鋅電極中合金元素的特性和電解液都有可能影響空氣電鋅電極中合金元素的特性和電解液都有可能影響空氣電極的性能和壽命。此外，活性物質(zhì)中有害物質(zhì)、隔膜的穩(wěn)極的性能和壽命。此外，活性物質(zhì)中有害物質(zhì)、隔膜的穩(wěn)定性與抗氧化性等因素對鋅空

16、氣電池性能均有不同程度的定性與抗氧化性等因素對鋅空氣電池性能均有不同程度的影響。影響。7.2.2 外界環(huán)境的影響外界環(huán)境的影響7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所14對空氣電極催化劑材料的一般要求是對空氣電極催化劑材料的一般要求是: : a 對氧的還原對氧的還原/ /析出具有良好的催化活性；析出具有良好的催化活性； b 對過氧化氫的分解具有促進(jìn)作用；對過氧化氫的分解具有促進(jìn)作用； c 耐電解質(zhì)和氧化耐電解質(zhì)和氧化/ /還原氣氛的腐蝕；還原氣氛的腐蝕； d 電導(dǎo)率和比表面積大電導(dǎo)率和比表面積大 就不同材料而言，比表面積大并不意味著催化活性高，就不同材料而言，比表面積大并不意味著催化活性高，但對

17、同種材料而言，比表面積越大，活性中心多，活性但對同種材料而言，比表面積越大，活性中心多，活性大。大。7.2.3 空氣電極催化劑空氣電極催化劑7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所15 金屬空氣電池的發(fā)展主要來自于氧電極催化劑的不斷金屬空氣電池的發(fā)展主要來自于氧電極催化劑的不斷更新，為降低正極反應(yīng)過程中的電化學(xué)極化，人們對氧化更新，為降低正極反應(yīng)過程中的電化學(xué)極化，人們對氧化還原反應(yīng)的電催化劑進(jìn)行了廣泛的研究。最早用于氧化還還原反應(yīng)的電催化劑進(jìn)行了廣泛的研究。最早用于氧化還原電催化劑的是炭，但是其催化活性相當(dāng)?shù)?。原電催化劑的是炭，但是其催化活性相?dāng)?shù)?。目前研究的目前研究的氧電極催化劑主要有：鉑及

18、其合金、銀、金屬螯合物、金氧電極催化劑主要有：鉑及其合金、銀、金屬螯合物、金屬氧化物（如錳氧化物、鈣鈦礦型氧化物等）等幾個(gè)系列。屬氧化物（如錳氧化物、鈣鈦礦型氧化物等）等幾個(gè)系列。7.2.3 空氣電極催化劑空氣電極催化劑7.2 空氣電極空氣電極功能材料研究所16 鋅空氣電池（鋅空氣電池（zinc air battery）用活性炭吸附空氣）用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負(fù)極，以氯中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。又稱鋅氧。又稱鋅氧電池。電池。 鋅空氣電池具有鋅空氣電池具有容量大、比能量高、

19、成本低、放容量大、比能量高、成本低、放電性能穩(wěn)定電性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有巨大市場前景的化學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，是一種具有巨大市場前景的化學(xué)電源。然而，由于鋅空氣電池的放電電流密度偏低及電源。然而，由于鋅空氣電池的放電電流密度偏低及其催化材料貴金屬的價(jià)格昂貴等原因，從而限制了它其催化材料貴金屬的價(jià)格昂貴等原因，從而限制了它的市場和應(yīng)用范圍。的市場和應(yīng)用范圍。7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池功能材料研究所177.3.1 工作原理工作原理7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池鋅空氣電池的陰極活性物質(zhì)來源于空氣中的鋅空氣電池的陰極活性物質(zhì)來源于空氣中的氧氣，負(fù)極采用廉價(jià)的鋅。在堿性電解液中，氧氣，負(fù)極采用廉價(jià)的鋅。在堿性電

20、解液中，反應(yīng)如下：反應(yīng)如下：陰極：陰極： O2+H2O+2e-2OH-陽極：陽極：ZnZn2+2e- Zn2+2OH-Zn(OH)2 Zn(OH)2ZnO+H2O總反應(yīng)：總反應(yīng)：Zn+ O2ZnO電動(dòng)勢：電動(dòng)勢：常溫常壓下，空氣中氧分壓約為大氣壓的常溫常壓下，空氣中氧分壓約為大氣壓的20%，鋅空氣電池的電動(dòng)勢為，鋅空氣電池的電動(dòng)勢為1.636V，實(shí)測，實(shí)測開路電壓在開路電壓在1.401.45V，工作電壓，工作電壓0.91.3V。2/10/0/22lnOZnZnOOHOPnFRTEEE 功能材料研究所18 鋅鋅/空氣電池是以金屬鋅作負(fù)極活性物質(zhì)，以空氣中的空氣電池是以金屬鋅作負(fù)極活性物質(zhì)，以空氣

21、中的氧或純氧作正極活性物質(zhì)，電解質(zhì)為堿性或中性的一種電氧或純氧作正極活性物質(zhì)，電解質(zhì)為堿性或中性的一種電池。它池。它具有自放電率很低、能量密度高、電池的容量不受具有自放電率很低、能量密度高、電池的容量不受放電強(qiáng)度和溫度的影響、安全性高、原料成本低廉、環(huán)保放電強(qiáng)度和溫度的影響、安全性高、原料成本低廉、環(huán)保等優(yōu)勢。等優(yōu)勢。 在金屬在金屬/ /空氣電池中，鋅最受人們關(guān)注。這是因?yàn)樵诳諝怆姵刂?，鋅最受人們關(guān)注。這是因?yàn)樵谒芤汉蛪A性電解質(zhì)中比較穩(wěn)定且在添加適當(dāng)?shù)囊种苿┖蟛蝗芤汉蛪A性電解質(zhì)中比較穩(wěn)定且在添加適當(dāng)?shù)囊种苿┖蟛话l(fā)生顯著腐蝕的金屬中，以鋅的電位最高發(fā)生顯著腐蝕的金屬中，以鋅的電位最高。 鋅在

22、商品化的鋅鋅在商品化的鋅/ /空氣原電池中已經(jīng)應(yīng)用多年。最初，這空氣原電池中已經(jīng)應(yīng)用多年。最初，這些產(chǎn)品是使用堿作為電解質(zhì)的大型電池，應(yīng)用于鐵路信號燈、些產(chǎn)品是使用堿作為電解質(zhì)的大型電池，應(yīng)用于鐵路信號燈、遠(yuǎn)距離通信和需要長時(shí)問、低倍率放電的海上導(dǎo)航裝置。隨遠(yuǎn)距離通信和需要長時(shí)問、低倍率放電的海上導(dǎo)航裝置。隨著薄層電極技術(shù)的開發(fā)，應(yīng)用于助聽器、尋呼機(jī)和類似用途著薄層電極技術(shù)的開發(fā)，應(yīng)用于助聽器、尋呼機(jī)和類似用途的小型的小型( (扣式扣式) )、高容量原電池都采用了此項(xiàng)技術(shù)。、高容量原電池都采用了此項(xiàng)技術(shù)。功能材料研究所19常溫、常壓下即可操作，不需外在的壓力平衡設(shè)計(jì)；常溫、常壓下即可操作，不需

23、外在的壓力平衡設(shè)計(jì)； 目前鋅空氣燃料電池單位重量的實(shí)際能量已達(dá)到了目前鋅空氣燃料電池單位重量的實(shí)際能量已達(dá)到了230Wh/kg，幾乎是，幾乎是鉛酸蓄電池的鉛酸蓄電池的8倍，已超過現(xiàn)有的鎳氫電池及鋰離子電池，且未來還有很倍，已超過現(xiàn)有的鎳氫電池及鋰離子電池，且未來還有很大的發(fā)展空間；大的發(fā)展空間； 自放電率低，若置于密閉空間中，放電率幾乎為零；自放電率低，若置于密閉空間中，放電率幾乎為零； 重量小、體積小、容量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；重量小、體積小、容量大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單； 鋅空氣燃料電池也具有良好的環(huán)保性，當(dāng)其產(chǎn)生電能后，產(chǎn)物主要有兩鋅空氣燃料電池也具有良好的環(huán)保性，當(dāng)其產(chǎn)生電能后，產(chǎn)物主要有兩種，即

24、水汽與氧化鋅，這些物質(zhì)經(jīng)處理后皆可再使用，屬于零污染；種，即水汽與氧化鋅，這些物質(zhì)經(jīng)處理后皆可再使用，屬于零污染； 鋅空氣燃料電池所需的反應(yīng)物主要有鋅和空氣，皆屬低成本物質(zhì)，故鋅鋅空氣燃料電池所需的反應(yīng)物主要有鋅和空氣，皆屬低成本物質(zhì)，故鋅空氣燃料電池的經(jīng)濟(jì)性毋庸置疑；空氣燃料電池的經(jīng)濟(jì)性毋庸置疑； 能在寬廣的溫度范圍內(nèi)正常工作且無腐蝕，工作安全可靠；能在寬廣的溫度范圍內(nèi)正常工作且無腐蝕，工作安全可靠； 鋅空氣燃料電池的應(yīng)用層面很廣，例如鋅空氣燃料電池的應(yīng)用層面很廣，例如3C產(chǎn)品、電動(dòng)車輛或區(qū)域發(fā)電產(chǎn)品、電動(dòng)車輛或區(qū)域發(fā)電機(jī)。機(jī)。 鋅空氣電池具有上述高比能量的優(yōu)點(diǎn)，但是其鋅空氣電池具有上述高比

25、能量的優(yōu)點(diǎn)，但是其比功率較小比功率較小(90W/kg)，不能，不能存貯再生制動(dòng)的能量，存貯再生制動(dòng)的能量，壽命較短壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一般為了彌補(bǔ)其不足，使用鋅空氣電池的電動(dòng)汽車還會(huì)裝有其他電池以幫助般為了彌補(bǔ)其不足，使用鋅空氣電池的電動(dòng)汽車還會(huì)裝有其他電池以幫助起動(dòng)和加速。起動(dòng)和加速。鋅鋅空氣電池特點(diǎn)空氣電池特點(diǎn)功能材料研究所20 在單體電池中以在單體電池中以鋅為正極，氧為負(fù)極鋅為正極，氧為負(fù)極，采用，采用外氧式設(shè)計(jì)，在鋅空氣電池兩側(cè)有兩塊高功率、外氧式設(shè)計(jì)，在鋅空氣電池兩側(cè)有兩塊高功率、長壽命的空氣電極。成品的鋅空氣電池由一組單長壽

26、命的空氣電極。成品的鋅空氣電池由一組單體電池串聯(lián)而成，車載鋅空氣動(dòng)力電池組還包括體電池串聯(lián)而成，車載鋅空氣動(dòng)力電池組還包括空氣流通保障系統(tǒng)和電池組熱管理系統(tǒng)兩個(gè)子系空氣流通保障系統(tǒng)和電池組熱管理系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)，以確保動(dòng)力電池組能夠長期、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。統(tǒng)，以確保動(dòng)力電池組能夠長期、穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。空氣流通保障系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入鋅空氣電池負(fù)極地空氣流通保障系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入鋅空氣電池負(fù)極地空氣量，當(dāng)不使用電池時(shí)，可以自動(dòng)切斷空氣?？諝饬?，當(dāng)不使用電池時(shí)，可以自動(dòng)切斷空氣。熱管理系統(tǒng)保證鋅空氣電池組能夠可靠地工作。熱管理系統(tǒng)保證鋅空氣電池組能夠可靠地工作。7.3.2 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池功能材料研

27、究所217.3.2 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池糊狀的鋅粉在陽極端，起催化作用的碳在陰極糊狀的鋅粉在陽極端，起催化作用的碳在陰極。電池殼體上的孔可。電池殼體上的孔可讓空氣中的氧進(jìn)入腔體附著在陰極的碳上。同時(shí)，陽極的鋅被氧化。讓空氣中的氧進(jìn)入腔體附著在陰極的碳上。同時(shí)，陽極的鋅被氧化。陰極陰極是起催化作用的碳從空氣中吸收氧。是起催化作用的碳從空氣中吸收氧。陽極陽極是鋅粉和電解液的混合物，成糊狀。是鋅粉和電解液的混合物，成糊狀。電解液電解液高濃度的氫氧化鉀水溶液。高濃度的氫氧化鉀水溶液。隔離層隔離層用于隔離兩級間固體用于隔離兩級間固體粉粒的移動(dòng)。粉粒的移動(dòng)。絕緣和密封襯墊絕緣和密封襯墊尼

28、龍材料。尼龍材料。電池外表面電池外表面鎳金屬外鎳金屬外殼，具有良好的防腐性的殼，具有良好的防腐性的導(dǎo)體。導(dǎo)體。功能材料研究所22（1 1）充電特性）充電特性鋅空氣電池的充電模式，打破了普通蓄電池的常規(guī)充電鋅空氣電池的充電模式，打破了普通蓄電池的常規(guī)充電模式，模式，采用機(jī)械式更換電池的鋅板或鋅粒的采用機(jī)械式更換電池的鋅板或鋅粒的 充電充電 模式模式，整，整體更換鋅空氣電池的活性物質(zhì)，將整個(gè)鋅空氣電池進(jìn)行更換體更換鋅空氣電池的活性物質(zhì)，將整個(gè)鋅空氣電池進(jìn)行更換，電池不再需要花很長的時(shí)間來充電，更換一塊，電池不再需要花很長的時(shí)間來充電，更換一塊20kWh的電的電池塊只需要池塊只需要1 1分分4040

29、秒。只要在公路沿線設(shè)置鋅板或鋅粒匣以及秒。只要在公路沿線設(shè)置鋅板或鋅粒匣以及電解質(zhì)器匣的機(jī)械式整體更換站，其效果如同現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)汽電解質(zhì)器匣的機(jī)械式整體更換站，其效果如同現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)汽車的加油站，直接車的加油站，直接 充電充電 ，可以為用戶提供很大的方便。，可以為用戶提供很大的方便。 7.3.3 基本特性基本特性7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池功能材料研究所23（2）放電特性）放電特性鋅空氣電池的開路電壓是鋅空氣電池的開路電壓是1.45V，工作電壓為，工作電壓為0.91.30V，自，自放電每月放電每月0.2%1.0%，可在，可在-2040的溫度范圍內(nèi)使用。實(shí)的溫度范圍內(nèi)使用。實(shí)際比能量是目前已用電池中

30、最高的一種，放電曲線平穩(wěn)。際比能量是目前已用電池中最高的一種，放電曲線平穩(wěn)。（3）電池使用壽命）電池使用壽命 高倍率電池適合于大電流放電，但使用壽命短，常用作助聽高倍率電池適合于大電流放電，但使用壽命短，常用作助聽器電源低倍率電池適合于小電流放電，使用壽命長，適合于電器電源低倍率電池適合于小電流放電，使用壽命長，適合于電子手表應(yīng)用。子手表應(yīng)用。7.3.3 基本特性基本特性7.3 鋅鋅空氣電池空氣電池功能材料研究所24 鋁空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與鋅空氣電池類似，鋁空氣電池以鋁空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與鋅空氣電池類似，鋁空氣電池以高純度鋁高純度鋁Al（含鋁（含鋁99.99%）為負(fù)極、氧為正極，以氫氧化）為負(fù)

31、極、氧為正極，以氫氧化鉀（鉀（KOH）或氫氧化鈉（）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質(zhì)。）水溶液為電解質(zhì)。鋁攝取鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時(shí)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化空氣中的氧，在電池放電時(shí)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁為氧化鋁。鋁空氣電池的進(jìn)展十分迅速，它在。鋁空氣電池的進(jìn)展十分迅速，它在EV上的應(yīng)用上的應(yīng)用已取得良好效果，是一種很有發(fā)展前途的空氣電池。已取得良好效果，是一種很有發(fā)展前途的空氣電池。7.4 鋁鋁空氣電池空氣電池功能材料研究所25在單體電池中以鋁（在單體電池中以鋁（Al）為負(fù)極、氧為正極，在鋁空氣電池兩側(cè)）為負(fù)極、氧為正極，在鋁空氣電池兩側(cè)有一對輔助空氣電極，作為鋁

32、空氣電池正極，在工作時(shí)只消耗鋁有一對輔助空氣電極，作為鋁空氣電池正極，在工作時(shí)只消耗鋁和少量的水。和少量的水。兩極反應(yīng)為：兩極反應(yīng)為：負(fù)極（負(fù)極（Al）：）： Al-3e=Al3+ Al3+3OH-=Al(OH)3 (中性溶液）中性溶液） Al3+4OH-=Al(OH)4- (堿性溶液）堿性溶液）正極（正極（Pt或或Fe等）：等）： O2+2H2O+4e=4OH總反應(yīng)式：總反應(yīng)式： 4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3 (中性溶液）中性溶液） 4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)4- (堿性溶液）堿性溶液）7.4鋁鋁空氣電池空氣電池功能材料研究所267.4 鋁鋁空氣電池空氣電池鋁電池

33、商業(yè)化應(yīng)用的明顯技鋁電池商業(yè)化應(yīng)用的明顯技術(shù)缺陷是術(shù)缺陷是鋁在空氣或水溶液鋁在空氣或水溶液中易鈍化且在強(qiáng)堿性溶液中中易鈍化且在強(qiáng)堿性溶液中腐蝕速率較大，嚴(yán)重降低了腐蝕速率較大，嚴(yán)重降低了鋁陽極效率鋁陽極效率。因此電極的活。因此電極的活化和抗腐蝕性能的提高是鋁化和抗腐蝕性能的提高是鋁陽極研究過程中需要解決的陽極研究過程中需要解決的主要問題。主要問題。功能材料研究所27 全球鋁的工業(yè)貯量超過全球鋁的工業(yè)貯量超過250億噸。由于鋁的外層電子億噸。由于鋁的外層電子結(jié)構(gòu)極具特色，結(jié)構(gòu)極具特色，Al()離子有離子有3個(gè)共價(jià)鍵，個(gè)共價(jià)鍵，3個(gè)配位鍵，個(gè)配位鍵，既溶于酸又溶于堿，具有多種形態(tài)，其既溶于酸又溶于

34、堿，具有多種形態(tài)，其電阻率低電阻率低(2.76 /cm)，電化當(dāng)量高電化當(dāng)量高(2.98Ah/g)，電極電位負(fù)電極電位負(fù)(-1.66V)。而在電化學(xué)能源中，鋁是一種很有吸引力的燃。而在電化學(xué)能源中，鋁是一種很有吸引力的燃料，成為最初發(fā)展金屬燃料電池的首選材料。但料，成為最初發(fā)展金屬燃料電池的首選材料。但鋁在空鋁在空氣和水中表面形成一層氧化膜氣和水中表面形成一層氧化膜，使其穩(wěn)定電位比平衡電，使其穩(wěn)定電位比平衡電位正移約位正移約1V，處于鈍化狀態(tài)。在鋁中添加，處于鈍化狀態(tài)。在鋁中添加Ga、In、TI、Zn、Sn、Mg等元素制成鋁合金電極，其表面氧化膜易等元素制成鋁合金電極，其表面氧化膜易于破壞，電

35、位可大幅度負(fù)移。但是一旦鋁表面氧化膜被于破壞，電位可大幅度負(fù)移。但是一旦鋁表面氧化膜被破壞，就會(huì)提高水還原反應(yīng)的速率，破壞，就會(huì)提高水還原反應(yīng)的速率，導(dǎo)致大量析氫導(dǎo)致大量析氫，中，中途難以停止其溶解。這些問題的存在限制了鋁空氣電池途難以停止其溶解。這些問題的存在限制了鋁空氣電池的發(fā)展。的發(fā)展。7.4 鋁鋁空氣電池空氣電池功能材料研究所28特點(diǎn)特點(diǎn)7.4 鋁鋁空氣電池空氣電池比能量高比能量高，電池理論比能量可達(dá)，電池理論比能量可達(dá)2290Whkg-1，目前實(shí)際上已，目前實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到經(jīng)達(dá)到300400Whkg-1。這一數(shù)值遠(yuǎn)高于當(dāng)今各種電池的比能。這一數(shù)值遠(yuǎn)高于當(dāng)今各種電池的比能量。量。 使用壽

36、命達(dá)到使用壽命達(dá)到34年年。這也取決于氧電極的工作壽命，因?yàn)殇X。這也取決于氧電極的工作壽命，因?yàn)殇X電極是可以不斷更換的。電極是可以不斷更換的。 無毒、無有害氣體無毒、無有害氣體，不污染環(huán)境。電池反應(yīng)消耗鋁、氧和水，生，不污染環(huán)境。電池反應(yīng)消耗鋁、氧和水，生成成AI(OH)3。(可用于污水處理做沉淀劑可用于污水處理做沉淀劑)。 可設(shè)計(jì)成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式，便于因使用場合不可設(shè)計(jì)成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式，便于因使用場合不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)。同而進(jìn)行設(shè)計(jì)。 鋁資源豐富鋁資源豐富，原料充足。，原料充足。 比功率中等比功率中等，為，為50200Wkg-1，這一特性由氧電極決定。氧電，這一特

37、性由氧電極決定。氧電極的工作電位遠(yuǎn)離其熱力學(xué)平衡電位，其交換電流密度很小，電池極的工作電位遠(yuǎn)離其熱力學(xué)平衡電位，其交換電流密度很小，電池放電時(shí)極化很大。氫氧燃料電池的比功率不高，其原因也在于此。放電時(shí)極化很大。氫氧燃料電池的比功率不高，其原因也在于此。功能材料研究所29 鎂空氣電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來鎂空氣電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易于貯運(yùn)、可使用溫度范圍寬以及源豐富、成本低、燃料易于貯運(yùn)、可使用溫度范圍寬以及污染小等優(yōu)點(diǎn)污染小等優(yōu)點(diǎn)。 作為一種高能化學(xué)電源，在可移動(dòng)電子設(shè)備電源、自作為一種高能化學(xué)電源，在可移動(dòng)電子設(shè)備電源、自主式潛航器電源、

38、海洋水下儀器電源和備用電源等方面具主式潛航器電源、海洋水下儀器電源和備用電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。有廣闊的應(yīng)用前景。7.5 鎂鎂空氣電池空氣電池功能材料研究所30 鎂空氣電池主要由鎂合金陽極、中性鹽電解質(zhì)和空鎂空氣電池主要由鎂合金陽極、中性鹽電解質(zhì)和空氣陰極三部分組成。氣陰極三部分組成。中性鹽條件下鎂中性鹽條件下鎂-空氣電池的放電反應(yīng)機(jī)理如下：空氣電池的放電反應(yīng)機(jī)理如下：陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)： MgMg2+2e 陰極反應(yīng)：陰極反應(yīng)： O2+ 2H2O +4e4OH- 電池總反應(yīng)：電池總反應(yīng)： Mg +O2 +H2OMg(OH)2 中性鹽電解質(zhì)鎂中性鹽電解質(zhì)鎂-空氣電池的寄生反應(yīng)：空氣電池的寄

39、生反應(yīng)：析氫反應(yīng)：析氫反應(yīng)：Mg +2H2OMg(OH)2 +H2開路電壓約為開路電壓約為1.6V。7.5 鎂鎂空氣電池空氣電池鎂鎂空氣電池原理空氣電池原理功能材料研究所31 由于由于鎂化學(xué)活性高，電極電勢低，在大多數(shù)的電解質(zhì)溶鎂化學(xué)活性高，電極電勢低，在大多數(shù)的電解質(zhì)溶液中，鎂的溶解速度較快，產(chǎn)生大量的氫氣液中，鎂的溶解速度較快，產(chǎn)生大量的氫氣，導(dǎo)致陽極的，導(dǎo)致陽極的法拉第效率降低。普通鎂法拉第效率降低。普通鎂(純度純度99.0%- 99.9%)中由于有害中由于有害雜質(zhì)存在，成為發(fā)生微觀原電池腐蝕反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，造成雜質(zhì)存在，成為發(fā)生微觀原電池腐蝕反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力，造成鎂的自腐蝕速度加大。鎂的自腐

40、蝕速度加大。 同時(shí)，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生較致密的同時(shí)，反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生較致密的Mg(OH)2鈍化膜，影響了鎂鈍化膜，影響了鎂陽極活性溶解。陽極活性溶解。 尋找陽極利用率高的鎂合金陽極材料，尋找陽極利用率高的鎂合金陽極材料，關(guān)鍵是尋求高性關(guān)鍵是尋求高性能鎂合金材料，減少析氫的腐蝕，解決活化與鈍化的矛盾能鎂合金材料，減少析氫的腐蝕，解決活化與鈍化的矛盾。7.5 鎂鎂空氣電池空氣電池鎂陽極研究鎂陽極研究功能材料研究所327.6 鋰鋰空氣電池空氣電池 鋰在金屬中具有最高的理論電壓鋰在金屬中具有最高的理論電壓(3.35V)和電化學(xué)和電化學(xué)當(dāng)量當(dāng)量(3.86Ah/g)，鋰金屬電池與鋰離子電池相比，鋰金屬電池與鋰離子電池相

41、比，同體積容量要大同體積容量要大30%左右，同質(zhì)量時(shí)能量要高左右，同質(zhì)量時(shí)能量要高30%左右。左右。 由于鋰金屬電池的正極不需要化學(xué)加工和電池不由于鋰金屬電池的正極不需要化學(xué)加工和電池不需要進(jìn)行化學(xué)工藝處理，其成本要比鋰離子電池低需要進(jìn)行化學(xué)工藝處理，其成本要比鋰離子電池低40%左右。特別是其標(biāo)準(zhǔn)化的左右。特別是其標(biāo)準(zhǔn)化的3V電壓平臺，不僅便電壓平臺，不僅便于組合成適用于各種電器使用的電池，更是大規(guī)模于組合成適用于各種電器使用的電池，更是大規(guī)模商業(yè)化商業(yè)化2V半導(dǎo)體芯片的最佳配套電池。半導(dǎo)體芯片的最佳配套電池。功能材料研究所337.6 鋰鋰空氣電池空氣電池正極正極 （O2+2H2O+4e4OH

42、-） 通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳通過導(dǎo)線供應(yīng)電子，空氣中的氧氣和水在微細(xì)化碳表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子（表面發(fā)生反應(yīng)后生成氫氧根離子（OH-）。在正極的）。在正極的水性電解液中與鋰離子（水性電解液中與鋰離子（Li+）結(jié)合生成水溶性的氫氧）結(jié)合生成水溶性的氫氧化鋰（化鋰（LiOH）。）。 負(fù)極反應(yīng)（負(fù)極反應(yīng)（LiLi+e） 金屬鋰以鋰離子（金屬鋰以鋰離子（Li+）的形式溶）的形式溶于有機(jī)電解液，電子供應(yīng)給導(dǎo)線。于有機(jī)電解液，電子供應(yīng)給導(dǎo)線。溶解的鋰離子（溶解的鋰離子（Li+）穿過固體電）穿過固體電解質(zhì)移到正極的水性電解液中解質(zhì)移到正極的水性電解液中 。功能材料研究所347.6

43、 鋰鋰空氣電池空氣電池鋰鋰空氣電池采用金屬鋰作為電極存在不少問題：空氣電池采用金屬鋰作為電極存在不少問題：鋰性質(zhì)活潑，極易發(fā)生腐蝕和自放電現(xiàn)象，影響電池的壽鋰性質(zhì)活潑，極易發(fā)生腐蝕和自放電現(xiàn)象，影響電池的壽命；命；開發(fā)有效的正極或陰極材料及相關(guān)的電極催化劑，提高氧開發(fā)有效的正極或陰極材料及相關(guān)的電極催化劑，提高氧的活性；的活性；鋰的價(jià)格相對較貴，限制了電池的使用范圍。鋰的價(jià)格相對較貴，限制了電池的使用范圍。 鋰空氣電池可采用合金的方法來減小鋰負(fù)極的自放電鋰空氣電池可采用合金的方法來減小鋰負(fù)極的自放電現(xiàn)象，鋰空氣電池目前還無法與鋰離子電池相媲美，有待現(xiàn)象，鋰空氣電池目前還無法與鋰離子電池相媲美，有待進(jìn)一步提高性能，拓展應(yīng)用范圍。進(jìn)一步提高性能，拓展應(yīng)用范圍。功能材料研究所35 鐵空氣電池是大規(guī)模應(yīng)用于牽引力最有可能的電鐵空氣電池是大規(guī)模應(yīng)用于牽引力最有可能的電化學(xué)動(dòng)力源之一。化學(xué)動(dòng)力源之一。鐵空氣電池采用廉價(jià)的鐵作為電鐵空氣電池采用廉價(jià)的鐵作為電極材料，在進(jìn)行加工、使用和回收過程中不會(huì)對環(huán)極材料，在進(jìn)行加工、使用和回收過程中不會(huì)對環(huán)境造成危害。境造成危害。與其它金屬燃料電池最大的不同是鐵與其它金屬燃料電池最大的不同是鐵空氣電池可以空氣電池可以不采用貴金屬鉑作