金属空气电池ppt课件

，1，金属空气电池的介绍和发展前景，金属空气电池(MAB)是特殊燃料电池类型，成本低、无毒、无污染、比电力高的能源优势，资源丰富、回收丰富，是比氢燃料电池结构简单、开发和应用可能性高的新能源下一代绿色二次电池的代表之一。全新的高性能环保能源金属空气电池性价比高，是替代现有电池的理想替代品。但是现在大多数金属空气电池都有电极的腐蚀和自放电现象，直接影响电极的电位。解决方法要从以下方面着手：合理的电极材料和制造工艺(如活跃电极的合金、离子嵌体材料的选择等)；电解质的合理构成(金属电极的腐蚀与相应的系统环境有关，选择合适的电解质溶液，可以提高电极活性)。电极的钝化和防腐)；增加氧空气电极活性需要高效的催化剂。为了降低金属空气电池成本，改善电池结构技术，开发实用的金属空气电池，解决金属空气电池的普及和应用方面的实际问题，今后在该应用领域的发展方向，2、一些主要金属空气电池的研究现状(1)锌空气电池，锌空气电池锌空气电池(zincairbattery)，作为阳极活性物质也称为锌氧电池。锌空气电池分为中性和碱性两个系统，分别用字母a和p表示，后面用数字表示电池型号。充电过程锌空气电池的充电速度很慢，为了解决这一问题，通常锌空气电池的阳极锌板或锌粒氧化为氧化锌亚失败，一般直接更换锌板或锌粒和电解质，彻底更新锌空气电池。放电时正负和总反应的化学方程式为化学方程式阴极：Zn 2oh =ZnO H2O 2e 阳极：0.5o 2 H2O 2e 713；=2oh总反应：Zn 0.5O2=ZnO Xie在锌锰电池中使用含铂多孔碳电极代替二氧化锰碳封装，开发了锌-空气电池技术。电池类型主要有四种。中性锌空气电池：结构与锌锰圆柱电池相同，以氯化铵和氯化锌为电解质。但是炭包里用活性炭替代二氧化锰，盖子或周围留有通风口，使用时打开。按钮锌空气电池：结构与按钮电池基本相同，但阳极盒有小孔，使用时可以打开；低功耗锌空气湿电池：将烧结或粘合活性炭电极与板状锌电极相结合，浸泡在含有氢氧化钠溶液的容器中(见图)。高功率锌空气电池：一般将薄粘合活性炭电极安装在电池外墙上，将锌粉电极卡在电池中间，两者之间分离为液体吸收用隔膜，嘴中安装注入用插头。使用时注入氢氧化钾溶液。这种电池携带方便。低功耗锌空气湿电池和高功率锌空气电池可以反复使用活性炭电极，电量用完后，更换锌电极和双碱液，可以重复使用。锌空气电池原理锌空气电池的电化学反应如下。在中性溶液中，2Zn 4NH4Cl O22Zn(NH3)2Cl2 2H2O碱性溶液：2Zn 2NaOH O22NaHZnO2性能特性和用途锌空气电池的电压约为1.4V，放电电流受活性炭电极的吸附氧和扩散速度的限制。每个型号的电池都有最佳使用电流值，超过极限值，活性炭电极就会快速劣化。电池的充电量一般比同样体积的锌锰电池多3倍以上。大型锌空气电池的负载量一般在5002000Ah之间，主要用于铁路和海洋照明设备。纽扣状锌空气电池的负载量为200 400毫安，广泛应用于助听器。，3，(2)锂空气电池是以锂为正极，以空气中的氧为负极反应物的电池。锂空气电池的能量密度比锂离子电池高，因为负极(多孔碳基)很轻，氧气没有电池，在环境中供给。理论上，氧气不能限制为阴极反应物，所以电池的容量取决于锂电极。比例为5.21kWh/kg(含氧质量)或11.14kWh/kg(不含氧)。与其他金属-空气电池相比，锂空气电池能效高(见下表)，因此1非常有吸引力。但是锂空气电池还在开发中，不能在市场上购买。原理放电时，电极反应如下：(1)阴极反应(LiLi e-)金属锂以锂(Li)形式溶于有机电解质，电子供给导线。溶解的锂离子(Li)通过固体电解质转移到阳极的水电解质。(2)阳极反应(O2 H2O 4e- 4OH-)通过导体提供电子，空气中的氧和水在经过精细精炼的碳表面反应后，产生氢氧根离子(OH-)。在阳极水电解质中，与锂离子(Li)相结合，产生水溶性氢氧化锂(LiOH)。充电时，电极反应如下：(1)阴极反应(Li e-Li)通过导线提供电子，锂(Li)通过双极水电解质到达阴极表面，在阴极表面产生反应，产生金属锂。(2)阳极反应(4oh- O2 H2O 4e-)反应产生氧。生成的电子被提供给导线。(3)铝-空气电池，铝-空气电池铝-空气电池是以铝合金为阴极，空气电极为阳极，海水或盐水为电解质制成的空气燃料电池类型。铝溶于酸和碱，电阻率低，电化学等效(2.98Ah/g)，电极电位-1.66V，是金属空气电池开发的首选物质。铝合金在电池放电时持续消耗，al(oh)3；阳极是多孔氧电极，如氢和氧燃料电池的氧电极。电池放电时，从外部进入人电极的氧气(空气)发生电化学反应o-；电解质可以分为中性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)和碱性溶液两种。氧电极主要由防水透气层、导电网、催化剂层三部分组成。铝-空气电池目前需要的关键技术有四种：(1)电解质的铝氧化膜生成会提高铝电极电位，而氧化膜破坏会产生大量氢，难以停止溶解，电池可能发生故障。(2)为了降低铝电极的腐蚀率，提高电池功率和放电密度，采用其他廉价材料制作合适的电极形状的方法。(3)电解质活性的控制和回收。(4)选择适当的电极催化剂，提高电极反应的效率。电极材料是阴极材料系列，以Al-Ca、Al-In、Al-Ca-In合金为基础，由铅、铋、锡、锌、镁、镉和锰等元素组成。合适的电池形状可以降低铝电极的腐蚀率，提高电池功率和放电密度。所研究的电极形状已经有平面形状、楔形、圆柱形状等。如果电解质是盐溶液，电池放电产物就会像凝胶一样，提高电池电阻，降低电池效率。目前使用的电解质有碱性溶液、中性溶液、常温熔盐溶液等。氧电极的工作电流密度达到650mA/cm2，其寿命也从过去的20次提高到3000次以上，系统输出功率也有所提高。氧电极催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂、金属复合氧化物催化剂(尖晶石、翡翠、钙亲矿)、过渡金属碳基化合物和有机催化剂等方面。与这种催化剂相比，MnO2催化剂最大的优点是价格低廉，具有很广的应用前景。，(4)镁空气电池、镁锰电池MnO2Mg(ClO4)2或mgbr 2 mg 2m NO2=mg (oh) 2 mn2o3镁海水电池AgClCuCl海水(包括MgCl2和NaCl)Mg2 ag cl=电解质研究开发对电解质添加剂的研究较少，镁电池为了减少过电位和自腐蚀性，必须在电解质中添加氢抑制剂，以减少腐蚀产物膜结构，激活镁阴极，提高电池性能。 目前使用的氢抑制剂是锡酸盐、二硫代二尿或季铵盐等单一抑制剂或由多种成分组成的复合抑制剂。在AZ31镁合金阴极上使用了季铵盐和锡酸盐的复合抑制剂，阳极的效率提高了90%以上，与没有添加抑制剂相比，电池电压可以提高13%，电池电压可以提高5%。第三，负极材料的研究现状是因为镁的电极电位低，化学活性高，在大多数电解质溶液中溶解速度快，产生了很多氢，阴极利用率低。此外，由于存在有害杂质，很容易发生微小的一次电池腐蚀反应，因此自身腐蚀速度很大。另一方面，反应产生更致密的Mg(OH)2钝化膜，影响镁阴极的活性溶解，引起电压滞后。因此，镁电池研究的重点是开发活性高、腐蚀速度低的镁合金，以解决活化和钝化之间的矛盾。6、金属空气电池的结构和工作原理，金属空气电池主要由阳极、阴极和电解质三部分组成。下图包括金属空气电池的组成、7、金属空气电池的工作原理、(1)阳极(空气电极)一个空气电极一般由催化剂层、防水透气性层、用于增加电极机械强度的金属收集器等组成。空气中的氧在电极参与反应时先扩散溶液，在液体中扩散，在电极表面吸附化学，然后在催化层进行电化学还原。因此，催化剂层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极性能的好坏。空气电极反应在气体、液体、固体三相界面上进行，电极内部能否形成尽可能多的有效三相界面，将影响催化剂的利用率和电极的传质过程。放电过程中，氧在三相界面上以氢氧根离子电化学催化还原反应。O2 H2O 4e- 4oh-(1) (2)阴极(金属电极)金属空气电池的理论能量密度仅取决于阴极。电池传递的唯一活性物质，燃料电极。金属阳极通常根据特定金属特性进行金属成分或形式的加工，以满足电池要求。目前阴极主要研究铝或锌等金属合金。以锌为例，放电时，锌在碱性溶液中的反应2Zn 4OH-2Zn(OH)2 4e-(2)电池产生的总反应为3360 O2 2Zn 2h2 o2Zn(OH)2(3)(3)电解质当o-离子局部增加时，电位的急剧变化导致严重的极化。缓冲溶液减少pH值变化，即氢氧中离子浓度的变化，减少极化，提供更大的电流。酸和碱都是比较好的缓冲溶液，因此最满意的空气电极都使用高浓度碱性或酸性电解质。碱性电解质和酸性电解质都有缺陷，碱性电解质被空气中的二氧化碳污染，酸性电解质与低催化剂作用下腐蚀，同时腐蚀空气电极上使用的集流体。碱性电解质的缺点也大体允许。有些金属空气系统使用接近中性的水电解质，例如氯化钠和碳酸钾，但仅限于电流密度低的东西。锂空气电池，电池结构化学原理锂空气电池的使用和性能，9，放电反应生成的电池不是固体锂氧化物(Li2O)，而是溶于水电解质的氢氧化锂(LiOH)，空气的两极不会堵塞碳孔。另外，水和氮等没有通过固体电解质隔膜，也没有与阴极锂金属反应的危险。另外，为了防止充电时空气非常腐蚀和劣化，配置了充电专用阳极。阴极采用金属锂，阴极电解质采用含锂盐的有机电解质。中间有分隔正极和负极的锂离子固体电解质。阳极水电解质使用碱性水溶性凝胶，与微细化碳和廉价氧化物催化剂形成的阳极相结合。电池结构，10，化学原理和电路图，放电时电极反应为：(1)阴极反应(LiLi e-)金属锂在有机电解质中以锂(Li)形式溶解，电供给导线，如下所示。溶解的锂离子(Li)通过固体电解质转移到阳极的水电解质。(2)阳极反应(O2 H2O 4e- 4OH-)通过导体提供电子，空气中的氧和水在经过精细精炼的碳表面反应后，产生氢氧根离子(OH-)。在阳极水电解质中，与锂离子(Li)相结合，产生水溶性氢氧化锂(LiOH)。充电时，电极反应如下：(1)阴极反应(Li e-Li)通过导线提供电子，锂(Li)通过双极水电解质到达阴极表面，在阴极表面产生反应，产生金属锂。(2)阴极反应(4oh- O2 H2O 4e-)，11，性能和应用前景，“锂空气电池”被誉为下一代高容量电池。但是，以前的锂空气电池存在阳极积累为固体反应，切断电解质和空气的接触，停止放电的问题。阴极(锂金属)使用有机电解质，阳极侧使用水电解质，阳极被固体电解质分开，阻止两种电解质的混合。固体电解质仅通过锂离子，电池反应可以毫无阻碍地进行。双极反应产物具有水溶性，不产生固体物质。实验证明该电池能持续放电50000mAh/g(空气电极的单位质量)。预计该技术将用于汽车电池。在车辆支架上更换双极水性电解质，用卡盒等补充阴极用金属锂，汽车可以连续行驶，无需等待充电的时间。可以从使用过的水电解质中轻松提取锂金属，锂可以重复使用。可以说是以金属锂为燃料的新型燃料电池。锂离子电池现在开始应用于电动汽车，为长途驾驶，期待作为电池的高性能和低成本加工。但是现在锂离子电池根据电池容量很难长途行驶，所以为了长途行驶，汽车需要配备很多电池，所以车体价格有很大提高的问题。12，铝空气电池，铝空气电池原理化学反应铝空气电池的特性，13，铝空气电池原理，铝空气电池的阴极是铝合金，电池放电时持续消耗，阳极是H2/O2燃料电池氧电极等多孔氧电极，电池放电时进入外部电极的氧(空气)电解质可以分为碱性溶液和中性溶液两种(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)。14、化学反应，15、铝空气电池的特性，铝空气电池的理论比例大于能源8100Wh/kg，目前铝空气电池的实际比例只有350Wh/kg，但铅酸电池的7 8倍，镍氢电池的5.8倍，锂电池的2.3倍。使用铝空气电池的车辆可以明显提高可运行里程的海外相关数据显示，在美国加利福尼亚，使用铝空气电池的电动车只需更换一次铝电极，即可达到1600公里的连续行驶里程。硬质我国开发开发的牵引力铅酸电池总能量为13.5千瓦时，总质量为375公斤。同样能源的铝空气电池的总质量只有45公斤，铅酸电池质量的12%。电池质量大幅下降，车辆的准备质量降低，可以提高车辆的装载能量或延