鎂燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用

1、鎂燃料電池的發(fā)展及應(yīng)用鎂燃料電池具有比能量高、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（-2080C）及污染小等特點(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。1鎂燃料電池的工作原理鎂燃料電池（Magnesiumfuelcell，又稱Magnesiumsemifuelcell）主要由鎂合金陽極，中性鹽電解質(zhì)和空氣（氧氣或其它氧化劑）陰極三部分組成。鎂是非?；顫姷慕饘?，在中性鹽電解質(zhì)中有很高的活性，適合用作中性鹽電解液金屬一空氣電池的陽極材料。陰極氧化劑可以利用空氣或者是過氧化氫。目前的研究主要是

2、中性鹽電解質(zhì)鎂-空氣燃料電池和鎂-過氧化氫燃料電池系統(tǒng)。1.1 鎂-空氣燃料電池的工作原理W1鎂一氣W料電池的不宜圖Fip.lSimplilkd百ofrlue1cell來1中性融電解質(zhì)，等空氣蠕料電池放電反應(yīng)Tab1Reactionmeartanismerfne-utrallectroyteMg-airfuelcellQ4-Mi*My+-2cV,Cath4hJcrciicLkih。+2.+4-4OH4J.4HVU池3,iejcIbainMi-+1總O7+H#CT7V圖1為鎂-空氣燃料電池的示意圖。中性鹽條件下鎂一空氣燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理如表1所示。鎂一空氣電池以空氣中的氧作為活性物質(zhì)，在放電

3、過程中，氧氣在三相界面上被電化學(xué)催化還原為氫氧根離子，同時(shí)金屬鎂陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。在放電過程中，鎂陽極還會(huì)與電解液發(fā)生自腐蝕反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧化鎂和氫氣。因此降低了鎂陽極的庫侖效率，使得鎂一空氣電池性能降低，在實(shí)際應(yīng)用中，開路電壓約為16V。1.2 鎂一過氧化氫燃料電池的工作原理ilVLlKrtA5M2挽-過腐化班梯料中池汽。網(wǎng)Fig2Siinplilied式heiti虱Lc口ftnajuicimn-tiydrogciLpemhid匕tkuIcell表2中性fit電解質(zhì)犢過或化氫燃料電池的放電反應(yīng)Tab2ReactionmechanismofneutraIelecirolyteMg-HsOsfue

4、lcell團(tuán)橫F二；冉Mt5一：Mg-2ci.i7v，根口:MCaihmlejcaurllohH47-+HyO+*c-tiOEi-411KKVl!也）工產(chǎn)；WholeLlhnMg+HQ7十HtV-Mga+JOH-+X25V表3中性砧電解質(zhì)建過氧化氫燃料電池的寄生反應(yīng)Tab一3Parasitici金action13fn&utrzl電ledrolyteMg-HiSftj削cell寸解iM口Enni產(chǎn)求ilkinncKtin2H衣2HQ*%*工D-cpe-ihitioiireactionMh+!OH*%21()方*XkCOqJZiI；I、Hydwfcencvf-JutaanreactionMb?HN

5、J-U剜QHi產(chǎn)Urt鎂-過氧化氫燃料電池系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。鎂-過氧化氫燃料電池是鎂一空氣（氧）燃料電池的一個(gè)分支。在中性鹽電解質(zhì)中，鎂一過氧化氫燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理如表2所示。同時(shí)，在放電反應(yīng)過程中，存在著幾個(gè)附加反應(yīng)，如表3所示。由于過氧化氫分解、沉淀物產(chǎn)生以及鎂陽極的自腐蝕等附加反應(yīng)的存在，使得電池的理論開路電壓與電化學(xué)性能降低。在鎂一過氧化氫燃料電池系統(tǒng)中，為了溶解氫氧化鎂和碳酸鎂等固體沉淀物，在電解質(zhì)中加人少量的酸性電解液，可以減小放電反應(yīng)阻力，使理論電池電壓從3.25V升高到4.14V,對電池性能有很大的提高，放電反應(yīng)機(jī)理如表4所示。*4IR性條件下琵-過量化氫炮料電池的放

6、電反應(yīng)Tat.4ReactionmechanismofacidelectrolyteMg-HOsfuelcell?l極liftAnodeicdlLionMi：1c.L3TV陽出反ifLberarravbycloctrotaticHocking3電解質(zhì)與添加劑與鋅、鋁相比，鎂是最活潑的金屬，在中性鹽電解質(zhì)中有很高的活性，當(dāng)前鎂燃料電池主要是采用中性鹽或海水作為電解液。一般工業(yè)鎂合金用作電池陽極材料時(shí)，由于自腐蝕速度大、陽極利用率低，尤其是陽極極化嚴(yán)重等原因，使得其工作電位難以滿足鹽水激活電池用負(fù)極材料的工程技術(shù)要求。另外，反應(yīng)腐蝕產(chǎn)物附著在鎂合金陽極表面，阻止了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電池性能降低。因

7、此，一方面需要在電解液中添加氫抑制劑，以降低過電勢和自腐蝕性，減小自腐蝕速度、提高鎂合金陽極利用率，另一方面添加破壞鎂的腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)的活化劑，促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的脫落、活化鎂負(fù)極、提高電池性能。目前應(yīng)用的氫抑制劑有錫酸鹽、二硫代縮二尿和季錢鹽等單一抑制劑，或是幾種成分構(gòu)成的復(fù)合型抑制劑。對AZ31鎂合金陽極，采用季錢鹽和錫酸鹽的復(fù)合抑制劑可使陽極效率達(dá)到90蛆上，比未添加抑制劑時(shí)提高13%電池電壓升高5%但是，在需要長時(shí)間待命使用情況下，鎂合金的自腐蝕仍然很嚴(yán)重，不能滿足要求。目前針對鎂燃料電池的活化劑和抑制劑的作用機(jī)理研究報(bào)道極少。4鎂燃料電池的應(yīng)用早在60年代，美國GE公司就對中性鹽鎂燃料電池

8、進(jìn)行了研究。近年來，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，軍事對高能電池的渴求，以及海洋資源開發(fā)的需要等，高性能鎂燃料電池成為人們研究的熱點(diǎn)之一，并取得了較大進(jìn)展。4.1可移動(dòng)電子設(shè)備電源隨著社會(huì)進(jìn)步與科技發(fā)展，筆記本電腦，移動(dòng)電話，數(shù)碼相機(jī)，攝像機(jī)等，高技術(shù)產(chǎn)品迅速普及，使得人們對可移動(dòng)電源的需求量日益增加。Trimol公司預(yù)測，未來幾年金屬空氣燃料電池將在手機(jī)、便攜式攝像機(jī)和筆記本電腦市場占有一定的份額。由于鎂一空氣燃料電池，采用中性鹽電解液，避免了腐蝕性堿性溶液對身體的危害，因此，適合應(yīng)用于可移動(dòng)電子裝置民用電源。FreenvoltPower公司(GP)開發(fā)了鎂/鹽水/空氣(MASwFC燃料電池，其MAs

9、wFCJ術(shù)有可能使電池縮小到適合便攜電子設(shè)備應(yīng)用的尺寸。4.2自主式潛航器電源鎂一過氧化氫燃料電池采用中性鹽或海水電解質(zhì)溶液，具有質(zhì)量輕、環(huán)境友好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能夠作為低功率、長壽命的無人水下運(yùn)行器的高能量電源。美國海底戰(zhàn)事中心(NavalUnderseaWarfareCenter)與麻省大學(xué)(UniversityofMassachusettsoartmouth)以及BAEsystems公司共同研制成功了用于自主式潛航器的鎂一過氧化氫燃料電池系統(tǒng)(Au-tonomousunderwatervehicles,AUVs)。該電池采用海水作電解質(zhì)，鎂合金作陽極材料，液態(tài)過氧化氫作陰極氧化劑。該電

10、池提供了一個(gè)成本較低并且更為安全的高能動(dòng)力，是低速率、長壽命的自主式潛航器的理想驅(qū)動(dòng)電源。4.3海洋水下儀器電源20世紀(jì)90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋應(yīng)用的圓柱型海水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池。1996年，挪威與意大利共同開發(fā)了鎂燃料電池，并且應(yīng)用于180m深的海底油井或氣井探測的海洋水下自動(dòng)控制系統(tǒng)。該海水電池采用商業(yè)鎂合金作陽極，海水作電解質(zhì)，海水中溶解的氧為氧化劑，陰極用碳纖維制造。這個(gè)電池系統(tǒng)電池為開放結(jié)構(gòu)，由六個(gè)兩米高的海水電池組成，放置在一個(gè)耐腐蝕和耐高壓的不銹鋼結(jié)構(gòu)殼體中，能量達(dá)到650kwh,系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15a。4.4備用電源鎂一空氣燃料電池可作為醫(yī)院、學(xué)校備用電源、應(yīng)急電源等，在備用時(shí)，可以干態(tài)長時(shí)間擱置，需要時(shí)，加人電解液即可應(yīng)用。目前，力口拿大GreenvoltPower公司(GP)研制出100wWF口300W級白鎂/鹽水/空氣燃料電池(MAswFC)能量密度是車酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機(jī)及Gps等設(shè)備供電。加拿大Magpowersystems公司研制的鹽水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池，能連續(xù)提供300W的功率，成功應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)水凈化系統(tǒng)水泵的供電。5結(jié)束語鎂燃料