金屬空氣電池(講稿)

1金屬/空氣電池1.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介1.1金屬/空氣電池概念

金屬/空氣電池是用金屬燃料代替氫能源而形成的一種新概念的燃料電池，有望成為新一代綠色能源。電解質(zhì)大多數(shù)為中性或者堿性，放電過時(shí)正極反應(yīng)方程式為：O2+2H2O+4e=4OH-E=0.401V金屬/空氣電池的理論能量以負(fù)極金屬的能量來衡量，負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)可以寫成：M→Mn++ne式中：M代表的是電池中所用的金屬，n值的大小取決于電池中金屬被氧化的價(jià)態(tài)21.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介1.1金屬/空氣電池概念★能量密度高★質(zhì)量輕★無毒無污染★成本低31.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介優(yōu)

點(diǎn)缺

點(diǎn)高體積比能量放電電壓平穩(wěn)極板壽命長(zhǎng)（干態(tài)貯存）無生態(tài)問題低成本（以所使用的金屬為基礎(chǔ)）操作范圍內(nèi)，容量與負(fù)載和溫度無關(guān)依賴于環(huán)境條件，一旦暴露在空氣中，電解質(zhì)干涸縮短極板壽命電極被淹會(huì)減小輸出功率，功率輸出有限操作溫度范圍窄負(fù)極腐蝕產(chǎn)生氫堿性電解質(zhì)碳酸化1.2金屬/空氣電池的優(yōu)缺點(diǎn)4鋁/空氣電池、鎂/空氣電池鋅/空氣電池、鋰/空氣電池鈣/空氣電池、鈉/空氣電池鐵/空氣電池、鈹/空氣電池鈦/空氣電池。1.3金屬/空氣電池分類根據(jù)負(fù)極金屬材料分類1.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介根據(jù)電池可充性分類一次電池二次電池機(jī)械可再充電池5ConceptTextTextTextTextTextText1.4金屬/空氣電池性能比較1.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介6ConceptTextTextTextTextText金屬負(fù)極金屬電化當(dāng)量/(A·h/g)熱力學(xué)電池電位*/V金屬理論質(zhì)量比能量/(kW·h/kg)實(shí)際工作電位/VLi3.863.413.02.4Ca1.343.44.62.0Mg2.203.16.81.2-1.4Al2.982.78.11.1-1.4Zn0.821.61.31.0-1.2Fe0.961.31.21.01.金屬/空氣電池簡(jiǎn)介1.4金屬/空氣電池性能比較7主要集中在鋅/空氣電池、鋁/空氣電池、鎂/空氣電池、鋰/空氣電池鐵/空氣電池的放電電壓和質(zhì)量比能量都較低，并且開發(fā)使用成本相對(duì)于其它金屬/空氣電池要高，所以研究較少。2.常見金屬/空氣電池鋁/空氣電池、鎂/空氣電池、鋅/空氣電池、鋰/空氣電池、鐵/空氣電池82.1鋅/空氣電池—組成及工作原理

鋅空氣電池是以金屬鋅為負(fù)極、以氧氣為正極、用氫氧化鉀水溶液為電解質(zhì)溶液。2.常見金屬/空氣電池9理論比能量可達(dá)1350Wh/kg，實(shí)際比能量約為180~230Wh/kg，是傳統(tǒng)鉛酸電池的5倍以上成組的鋅空氣電池具有良好的一致性，允許深度放電，電池的容量不受放電強(qiáng)度的影響適用溫度范圍寬泛(－20~80℃)具有較高的安全性，可有效防止因短路、泄漏造成的起火或爆炸空氣電極的壽命長(zhǎng)，當(dāng)電池容量用完后，只需更換鋅板負(fù)極就可實(shí)現(xiàn)電池能量的重新補(bǔ)給，“機(jī)械式再充電”2.1鋅/空氣電池—優(yōu)勢(shì)2.常見金屬/空氣電池10防止鋅電極的直接氧化，抑制鋅枝晶的出現(xiàn)；空氣電極催化劑活性不能偏低；阻止電解液的炭酸化。2.1鋅/空氣電池—關(guān)鍵技術(shù)2.常見金屬/空氣電池112.1鋅/空氣電池--研發(fā)現(xiàn)狀2.常見金屬/空氣電池抑制鋅枝晶：加人電極添加劑和電解液添加劑（季胺鹽、硫酸鹽、聚乙烯醇等），選擇合適的隔膜以及改變充電方式獲得高催化活性的正極催化劑及助劑：金屬氧化物、過渡金屬大環(huán)化合物、碳基材料及其復(fù)合物，有望替代Pt等貴金屬催化劑防止電解液碳酸化；防止鋅電極鈍化：在鋅電極中加人具有高氫過電位的金屬氧化物或氫氧化物；通過抑制鋅變形的方法等，減弱鋅電極的鈍化趨勢(shì)12

鋰/空氣電池以金屬鋰為負(fù)極，常以多孔碳基材料為正極，通過金屬鋰與空氣中氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流，又被認(rèn)為是一種類燃料電池。2.2鋰/空氣電池—組成及分類

根據(jù)電解液的類型，可分為非水系鋰、水系、混合以及固態(tài)鋰空氣電池。2.常見金屬/空氣電池13

對(duì)于水系及混合鋰空氣電池：4Li+O2+2H2O→4LiOH（中性或堿性電解液）4Li+O2+4H+→4Li++2H2O（酸性電解液）

在非水性電解質(zhì)中：2Li+O2→Li2O2

或4Li+O2→2Li2O2.2鋰/空氣電池—工作原理2.常見金屬/空氣電池14

2.2鋰/空氣電池—優(yōu)勢(shì)2.常見金屬/空氣電池鋰在金屬電極中具有最高的理論電壓（3.35V）和電化學(xué)當(dāng)量（3.86Ah/g），鋰/空氣電池與鋰離子電池相比，同體積時(shí)容量要大30%左右，同重量時(shí)能量要高30%左右。由于鋰/空氣電池以及正極不需要進(jìn)行化學(xué)工藝處理，其成本要比鋰離子電池低40%左右。其標(biāo)準(zhǔn)化的3V電壓平臺(tái)，便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)化的2V半導(dǎo)體芯片的最佳配套電池。15鋰性質(zhì)活潑，極易發(fā)生腐蝕和自放電現(xiàn)象，影響電池壽命。有機(jī)液體電解質(zhì)存在容易揮發(fā)，影響了放電容量、使用壽命及電池安全性。在空氣中使用時(shí)，鋰/空氣電池需要解決如何防止氣體進(jìn)入電池的問題。有機(jī)液體電解質(zhì)容易吸收水分而導(dǎo)致負(fù)極在空氣中腐蝕；另外，H2O和CO2

的存在會(huì)使產(chǎn)物鋰氧化物減少，而反應(yīng)生成的Li2CO3

不具有電化學(xué)可逆性，從而導(dǎo)致鋰/空氣電池的循環(huán)性能下降。2.2鋰/空氣電池—關(guān)鍵技術(shù)2.常見金屬/空氣電池16放電產(chǎn)物堆積在碳材料的孔隙中，堵塞空氣電極孔道催化劑問題2.2鋰/空氣電池—關(guān)鍵技術(shù)2.常見金屬/空氣電池172.2鋰/空氣電池—研發(fā)現(xiàn)狀2.常見金屬/空氣電池負(fù)極：使用有機(jī)電解液或Li+交換膜來保護(hù)金屬鋰不被腐蝕電解液及隔膜：使用高化學(xué)穩(wěn)定性、低揮發(fā)性、高導(dǎo)電性的電解液；使用保護(hù)膜防止電池體系受到空氣中H2O和CO2的侵蝕正極：使用高效正極雙功能催化劑，如金屬氧化物、碳材料、過渡金屬大環(huán)等，并使用高比表面的正極材料，為不溶性放電產(chǎn)物堆積提供空間182.3鋰/空氣電池—挑戰(zhàn)2.常見金屬/空氣電池193.金屬/空氣電池應(yīng)用前景以色列Phinergy公司開發(fā)出一種25公斤的鋁/空氣電池組，充電一次可使電動(dòng)汽車行駛1600公里在原型樣品中，每個(gè)電池里面共有50片鋁片，每個(gè)鋁片可以驅(qū)動(dòng)汽車行駛20英里，這樣算下來就有1000英里（1600公里）了3.1以色列Phinergy公司開發(fā)鋁/空氣電池這些鋁片的總重量有55磅（25公斤），還是有點(diǎn)重。它的能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的100倍電池將在2017年面向市場(chǎng)批量生產(chǎn)203.2FluidicEnergy公司開發(fā)鋅/空氣電池FluidicEnergy公司通過添加離子液體使生成的金屬鋅結(jié)構(gòu)致密均一；該公司同時(shí)生產(chǎn)出空氣/電池其運(yùn)行時(shí)間是市場(chǎng)上其它空氣/電池的5~7倍；該種金屬/空氣電池有望代替鉛酸電池和柴油機(jī)供電信塔使用，但離電動(dòng)汽車的應(yīng)用還有距離；同樣對(duì)于大規(guī)模電網(wǎng)存儲(chǔ)也具有一定的挑戰(zhàn)。3.金屬/空氣電池應(yīng)用前景213.3美國勁亮Energizer開發(fā)鋅/空氣電池助聽器用鋅/空氣電池棱柱型鋅/空氣電池，比其他同等大小的電池的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)3倍3.金屬/空氣電池應(yīng)用前景22ElectricFuel公司在聯(lián)邦運(yùn)輸管理局等機(jī)構(gòu)的的資助下于1998年著手研制的大容量二次鋅/空氣金屬燃料電池用于交通運(yùn)輸右下圖為首次使用鋅/空氣電池的交通運(yùn)輸汽車，2001年11月在拉斯維加斯試運(yùn)行3.4ElectricFuel公司開發(fā)鋅/空氣電池該汽車包含18個(gè)模塊，每個(gè)模塊含有47個(gè)鋅空氣電池其比能量為200Wh·kg-1，比峰值功率為90W·kg-1（在80%的放電深度下）3.金屬/空氣電池應(yīng)用前景23

北京長(zhǎng)力聯(lián)合能源技術(shù)有限公司與中航國際香港簽署了“關(guān)于鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”的投資協(xié)議書

2012年計(jì)劃生產(chǎn)500輛電動(dòng)大客車電池、500輛電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車電池，加入北京市規(guī)?；l(fā)展電動(dòng)汽車商業(yè)化運(yùn)行的行列。2013年實(shí)現(xiàn)鋅空氣電池規(guī)?；a(chǎn)，達(dá)到年產(chǎn)1000輛電動(dòng)大客車電池和1000輛電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車電池的規(guī)模。3.5北京長(zhǎng)力聯(lián)合能源技術(shù)有限公司開發(fā)公交車用鋅/空氣電池3.金屬/空氣電池應(yīng)用前景

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2011年9月27日，東風(fēng)揚(yáng)子江汽車（武漢）有限公司客車工程研究院與湖北武漢泓元新能源科技有限公司共同開發(fā)的揚(yáng)子江牌鋅/空電池純電動(dòng)公交車樣車正式完工下線。

據(jù)東風(fēng)揚(yáng)子江相關(guān)人士介紹：“鋅空氣電動(dòng)公交車每更換一次鋅粉可行駛約300公里，最高時(shí)速達(dá)80公里，所配載電池和同類鋰電池相比，具有容量大、壽命長(zhǎng)、重量輕、生產(chǎn)成