金屬空氣電池(講稿)

1金屬/空氣電池1.金屬/空氣電池簡介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。電解質大多數為中性或者堿性，放電過時正極反應方程式為：O2+2H2O+4e=4OH-E=0.401V金屬/空氣電池的理論能量以負極金屬的能量來衡量，負極的電化學反應可以寫成：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態(tài)21.金屬/空氣電池簡介1.1金屬/空氣電池概念★能量密度高★質量輕★無毒無污染★成本低31.金屬/空氣電池簡介優(yōu)

點缺

點高體積比能量放電電壓平穩(wěn)極板壽命長（干態(tài)貯存）無生態(tài)問題低成本（以所使用的金屬為基礎）操作范圍內，容量與負載和溫度無關依賴于環(huán)境條件，一旦暴露在空氣中，電解質干涸縮短極板壽命電極被淹會減小輸出功率，功率輸出有限操作溫度范圍窄負極腐蝕產生氫堿性電解質碳酸化1.2金屬/空氣電池的優(yōu)缺點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/空氣電池分類根據負極金屬材料分類1.金屬/空氣電池簡介根據電池可充性分類一次電池二次電池機械可再充電池5ConceptTextTextTextTextTextText1.4金屬/空氣電池性能比較1.金屬/空氣電池簡介6ConceptTextTextTextTextText金屬負極金屬電化當量/(A·h/g)熱力學電池電位*/V金屬理論質量比能量/(kW·h/kg)實際工作電位/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量比能量都較低，并且開發(fā)使用成本相對于其它金屬/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極、以氧氣為正極、用氫氧化鉀水溶液為電解質溶液。2.常見金屬/空氣電池9理論比能量可達1350Wh/kg，實際比能量約為180~230Wh/kg，是傳統鉛酸電池的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，當電池容量用完后，只需更換鋅板負極就可實現電池能量的重新補給，“機械式再充電”2.1鋅/空氣電池—優(yōu)勢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；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—關鍵技術2.常見金屬/空氣電池112.1鋅/空氣電池--研發(fā)現狀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12

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

根據電解液的類型，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）和電化學當量（3.86Ah/g），鋰/空氣電池與鋰離子電池相比，同體積時容量要大30%左右，同重量時能量要高30%左右。由于鋰/空氣電池以及正極不需要進行化學工藝處理，其成本要比鋰離子電池低40%左右。其標準化的3V電壓平臺，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半導體芯片的最佳配套電池。15鋰性質活潑，極易發(fā)生腐蝕和自放電現象，影響電池壽命。有機液體電解質存在容易揮發(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，鋰/空氣電池需要解決如何防止氣體進入電池的問題。有機液體電解質容易吸收水分而導致負極在空氣中腐蝕；另外，H2O和CO2

的存在會使產物鋰氧化物減少，而反應生成的Li2CO3

不具有電化學可逆性，從而導致鋰/空氣電池的循環(huán)性能下降。2.2鋰/空氣電池—關鍵技術2.常見金屬/空氣電池16放電產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—關鍵技術2.常見金屬/空氣電池172.2鋰/空氣電池—研發(fā)現狀2.常見金屬/空氣電池負極：使用有機電解液或Li+交換膜來保護金屬鋰不被腐蝕電解液及隔膜：使用高化學穩(wěn)定性、低揮發(fā)性、高導電性的電解液；使用保護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，充電一次可使電動汽車行駛1600公里在原型樣品中，每個電池里面共有50片鋁片，每個鋁片可以驅動汽車行駛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），還是有點重。它的能量密度是現有鋰離子電池的100倍電池將在2017年面向市場批量生產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構致密均一；該公司同時生產出空氣/電池其運行時間是市場上其它空氣/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供電信塔使用，但離電動汽車的應用還有距離；同樣對于大規(guī)模電網存儲也具有一定的挑戰(zhàn)。3.金屬/空氣電池應用前景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行時間長3倍3.金屬/空氣電池應用前景22ElectricFuel公司在聯邦運輸管理局等機構的的資助下于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輸右下圖為首次使用鋅/空氣電池的交通運輸汽車，2001年11月在拉斯維加斯試運行3.4ElectricFuel公司開發(fā)鋅/空氣電池該汽車包含18個模塊，每個模塊含有47個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/空氣電池應用前景23

北京長力聯合能源技術有限公司與中航國際香港簽署了“關于鋅空氣電池產業(yè)化項目”的投資協議書

2012年計劃生產500輛電動大客車電池、500輛電動環(huán)衛(wèi)車電池，加入北京市規(guī)?；l(fā)展電動汽車商業(yè)化運行的行列。2013年實現鋅空氣電池規(guī)模化生產，達到年產1000輛電動大客車電池和1000輛電動環(huán)衛(wèi)車電池的規(guī)模。3.5北京長力聯合能源技術有限公司開發(fā)公交車用鋅/空氣電池3.金屬/空氣電池應用前景

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2011年9月27日，東風揚子江汽車（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)的揚子江牌鋅/空電池純電動公交車樣車正式完工下線。

據東風揚子江相關人士介紹：“鋅空氣電動公交車每更換一次鋅粉可行駛約300公里，最高時速達80公里，所配載電池和同類鋰電池相比，具有容量大、壽命長、重量輕、生產成