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镁空气电池材料研究进展 1 目录 contents 1 镁空气电池简介 2 3 镁空气电池的发展方向 镁空气电池的研究及应用现状 2 Part1镁空气电池简介 3 表一几种电池的电压和能量密度对比Table1Volatgeandenergedensitycomparisonofselectedbatteries 金属空气电池 金属空气电池是一类特殊的燃料电池 它是以金属为燃料 与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能 具有能量密度高 安全 污染小等特点 主要包括锂空气电池 镁空气电池 铝空气电池 锌空气电池等 4 镁空气电池工作原理 水体系 阳极 Mg 2e Mg2 阴极 O2 2H2O 4e 4OH 总反应 2Mg H2O O2 2Mg OH 2非水体系 阳极 Mg 2e Mg2 阴极 O2 2e O22 或O2 4e 2O2 总反应 Mg O2 MgO2或2Mg O2 2MgO 图一镁空气电池的典型结构和工作原理Fig 1TypicalstructureandworkingprincipleofMg airbattery 5 镁空气电池的优点 储量丰富 价格便宜清洁 安全压降小 放电电压稳定理论电压和能量密度高 6 Part2镁空气电池研究及应用现状 7 一 镁阳极 镁合金化将镁与其它金属如Al Mn Zn等形成合金 减少镁阳极的腐蚀 提升电池的性能提升镁自身的性能 纯度 高纯度镁 99 99 作为阳极可以比某些合金的腐蚀率更低 形态微 纳米结构 增大比表面积 加速反应加速Mg OH 2沉淀 8 表二镁阳极的分类Table2TypesofMganodeforMg airbatteries 9 二 电解液 镁空气电池的高极化和低库伦效率不仅与电极有关也与电解液密切相关 因此选择一种合适的电解液也是至关重要的 关于电解液的研究主要有以下几个方面 电解质溶液的PH 溶液中阴离子的种类 溶液浓度等 10 三 空气电极 镁空气电池的性能与空气电极密切相关 典型的空气电极有四层组成 疏水层 气体扩散层 催化层和电流收集层 现在关于空气电极的研究主要围绕气体的有效扩散以及合适的高效催化剂等 11 中性水溶液中可能的氧还原路径为 O2 2H2O 4e 4OH O2 H2O 2e HO2 OH HO2 H2O 2e 3OH 2HO2 2OH O2 副反应的发生减缓了氧还原过程 因此需要有一种高效的催化剂 提高反应活性 加快反应速度 12 类型催化剂性能 贵金属Pt Pt alloys 催化活性高 过电压低Pd Cu Ag 4e 反应过程碳基材料nanotubes graphene催化活性接近Pt 稳定性N dopednanotubes好 类似4e 反应过程过渡金属氧化物Co3O4 r GO MnCoO r GO催化活性与Pt相当 4e 反应过程 有希望成为Pt的替代品含氮金属复合物FeTMPP C CoTMPP C催化活性与Pt C相当4e 反应过程 表三催化剂的种类Table3TypesofcathodecatalystsforMg airbatteries 13 四 应用现状 现在镁空气电池的主要应用包括三方面 一是作为备用电源 在紧急情况下使用 二是为一些海下设备提供电能 三是军事上的应用 挪威和意大利曾合作开发出一种镁空气燃料电池 用于海上的油田勘探设备 这种电池的能量密度达到650KWh 使用寿命为15年 14 雅安地震发生后 中科院大连物化所紧急向灾区提供了500多台大容量 高比容量镁 空储备电源 该电源可提供长达一个月的电力供应 可在灾区作为帐篷照明灯 手机充电器等小型设备应急移动电源 为灾后救援提供长时间照明 通讯等保障 有效解决大面积电力中断带来的影响 15 Part3镁空气电池的发展方向 16 镁空气电池性能优异 有着广阔的发展空间 未来对其研究主要围绕着以下两个方面 1 进一步提升镁合金的性能 提高镁阳极的使用效率 寻找催化活性强 耐用性强 成本低的催化剂 优化空气电极的结构 研究性能优异稳定的电解液体系 2 现在的镁空气电池基本都是一次电池 关于可充电的镁空气电池的还急需发展 17 1 ZhangT TaoZ ChenJ Magnesium airbatteries fromprincipletoapplication J Mater Horiz 2014 1 AdvanceArticle 2 ZhangL HouZ YeX etal TheeffectofselectedalloyingelementadditionsonpropertiesofMg basedalloyasbioimplants Aliteraturereview J FrontiersofMaterialsScience 2013 7 3 227 236 3 GhaliE DietzelW KainerK GeneralandLocalizedCorrosionofMagnesiumAlloys ACriticalReview J JournalofMaterialsEngineering Performance 2013 volume13 1 7 23 17 4 DuJ WangZ NiuY etal DoubleliquidelectrolyteforprimaryMgbatteries J JournalofPowerSources 2014 247 3 840 844 5 SaminathanK MayilvelDineshM SelvamM etal Watersolublegrapheneaselectrolytead