2017-04-26 19:29:20

  鋁-空氣燃料電池的理論比能量可達8100Wh/kg,具有成本低、比能量密度和比功率密度高等優點。作為一種特殊的燃料電池,鋁- 空氣電池在軍事、民用、以及水底動力係統、電信係統後備動力源和便攜式電源等應用方麵具有巨大的商業潛力。

  金屬空氣電池概述

  鋰離子電池擁有較高的比能量,是目前研究較成熟且已經大規模商用的二次電池,但是近幾年來,麵對移動電子設備和電動汽車等領域的巨大發展,鋰離子電池已難於滿足其大容量的需求,特別是對能源依賴性很強的動力電池體係。因此,擁有比鋰離子電池比容量大幾倍的金屬空氣電池應運而生,比如鋅空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池等。

  由於這類電池的正極活性物質主要來源於空氣中的氧氣,理論上的正極活性物質的量是無限的,所以電池理論容量主要取決於負極金屬的量,這類電池擁有更大的比容量。

  其中,鋁-空氣燃料電池的理論比能量可達8100Wh/kg,具有成本低、比能量密度和比功率密度高等優點。作為一種特殊的燃料電池,鋁- 空氣電池在軍事、民用、以及水底動力係統、電信係統後備動力源和便攜式電源等應用方麵具有巨大的商業潛力。

  鋁空氣電池結構和原理

  鋁空氣電池研究現狀及發展趨勢詳解

  圖1 是鋁空氣電池的結構原理圖

  從現有的研究成果和電池特性來分析,鋁空氣電池具有如下特點:

  (1)比能量高。鋁空氣電池是一種新型高比能電池,理論比能量可達到8100Wh/kg 目前研發的產品已經能達到300-400 Wh/kg,遠高於當今各類電池的比能量。

  (2)比功率中等。由於空氣電極的工作電位遠離其熱力學平衡電位,其交換電流密度很小,電池放電時極化很大,導致電池的比功率隻能達到50-200 W/kg。

  (3)使用壽命長。鋁電極可以不斷更換,因此鋁空氣電池壽命的長短取決於空氣電極的工作壽命。

  (4)無毒、無有害氣體產生。電池電化學反應消耗鋁、氧氣和水,生成Al2O3·nH2O,可用於幹燥吸附劑和催化劑載體、研磨拋光磨料、陶瓷及汙水處理的優良沉澱劑等。

  (5)適應性強。電池結構和使用的原材料可根據實用環境和要求而變動,具有很強的適應性。

  (6)電池負極原料鋁廉價易得。相比於其他的金屬,金屬鋁的價格比較低,金屬陽極的製造工藝比較簡單。

  鋁陽極(負極)

  鋁(Al)是一種理想的電極材料,金屬鋁的理論能量密度為8.2W·h/g,在常見金屬中,僅次於鋰的13.3W·h/g,電極電位較負,是除金屬鋰以外質量比能量最高的輕金屬電池材料。鋁空氣電池的質量比能量實際可以達到 450Wh/kg,比功率達到 50~200 W/kg。具有理論容量高、消耗率低、質量輕、電位負、資源豐富及易於加工等優點,得到廣泛研究。

  但是由於鋁是一種很活潑的兩性金屬,目前鋁陽極的發展還受到以下幾個問題的影響。

  (1)鋁表麵有一層鈍化膜,影響了鋁的電化學活性。

  (2)鋁是一種兩性金屬元素,這就決定了它在強堿性環境下易析氫腐蝕,影響電極電位,產物浮著在電解液中影響整個電化學反應的進行。

  (3)空氣電池獨特的半開放的體係,使空氣電極容易受到外界濕度的影響,發生鋁陽極的“淹沒”或“幹涸”,甚至“爬堿”或“漏液”,現象從而對整個空氣電池的結構造成破壞。為了解決上述問題,國內外學者從以下三個方麵進行了研究:

  1、鋁陽極合金化

  工業級鋁(99.0%)含有較多的雜質,如鐵(0.5%)、矽、銅、錳、鎂和鋅等,會使相界麵處鋁的析氫腐蝕加劇,特別是鐵會與鋁形成局部原電池,導致電化學腐蝕成倍增加。可向鋁中加入既能提高化學活性、又可提高耐腐蝕性的合金成分。

  鋁合金合金化需要加入的元素所需要滿足的條件有 :①合金元素的熔點要低於金屬 Al ;②在 Al 中固態飽和度較高;③電化學活性高於 Al ;④在電解質中溶解度較高;⑤具有較高的析氫過電位。此外,將陽極金屬加工成超細晶材料,可進一步提高陽極效率。

  2、 電解液中加入緩釋劑

  由於陽極合金化有一定的成本問題所以人們經常會選擇在電解液中加入一些緩釋劑來保證鋁空氣電池的性能。一些羧酸類、胺類、氨基酸類緩釋劑及其對鋁腐蝕的抑製效率如表1 所示:

  鋁空氣電池研究現狀及發展趨勢詳解

  研究者們使用天然物質作金屬鋁腐蝕的抑製劑,實驗證明有機胺類、吡咯等對鋁的腐蝕有明顯的抑製作用。通過向強堿電解質中添加有機物、水溶性化合物來研究鋁金屬陽極的電化學行為降低鋁的腐蝕速度,進而提高鋁空氣電池的性能。

  3、 熱處理工藝

  熱處理通過改變鋁合金中微量元素的分布和合金表麵的微觀結構,來影響合金性能,屬工藝學的研究範疇。通過適合的正交實驗可找到最佳的熱處理工藝。

第1頁  第2頁  第3頁  

http://www.autooo.net/autooo/power/tech/2017-05-02/172087.html