金属空气电池力学性能研究-修改

随着石油、天然气、煤炭等不可再生能源的逐渐枯竭和全球气候变化的趋势，可持续能源的开发和应用已迫在眉睫。金属空气电池作为一种绿色能源，具有无毒、无污染、放电电压稳定、比能高、存储寿命长、价格相对低廉等众多优点。这种电池以金属(锌、镁、锂、铝等)和氧气为燃料，将化学能转化为电能，资源丰富，低廉，可再生。而且结构比氢燃料电池简单，是一种具有广阔应用前景的新能源。金属空气电池是一种具有原电池特性的特殊燃料电池。它是由活性负极材料(Metal)和取用不尽的正极材料(Air)通过部分电化学反应组成，具有较高比能和比功率。而且其资源丰富，可再生利用，无污染，无毒，成本相对低廉，比能大，排放稳定，低温可控性好，被认为是一种极佳的绿色无污染能源，在未来具有很大的应用前景和发展背景。由于新能源技术输出不稳定，高能量密度电池在其发展中有着举足轻重的关系。空气电池因其高理论能量密度(8100Wh-1)、容量密度(2980Ahkg-1)、环保、安全、资源丰富，是解决当前环境与能源问题的理想化学电源。目前，空气电池尚且处于工业化的初期阶段。解决空气电池的自腐蚀问题，以及提高其电化学性能是开发高比容量、高比功率空气电池的关键所在。本项目通过膜电极微纳结构的构建，深入了解了催化剂、电解液、反应气三相界面的稳定机理，为膜电极的发展提供了理论依据和实验依据。具体包括：膜电极的微纳结构构建：通过对质子膜、催化层和扩散层的结构和功能分析，设计了有利于质子、电子和反应物传输的微纳结构膜电极，并提出了合适的微纳阵列结构参数，采用浸渍还原法等方法制备了有序膜电极。膜电极三相界面形成的稳定性机理研究：通过电化学等方法对膜电极的微纳结构和三相界面形成的稳定机理进行了深入研究，并研究了膜电极中聚合物浓度和亲水性与电极反应界面之间的内在关系。膜电极能量转换效率研究：采用旋转环盘电极等性能测试方法，系统研究了质子、电子、反应物和生成物的输运和迁移行为及其影响因素。研究了有序膜电极电化学反应的能量转换效率。关键词：金属空气电池，膜电极能力转化效率，膜电极微钠结构，三相界面Withthegradualdepletenergysourceshavebecomeoneoftheimporhumansocietyinthefuture.Asakindofgreenenergy,metalairadvantagesofnon-toxic,pollution-free,stabledischargevoltaglongstoragelifeandrelativelylowprice.Thiskindofbatteryusesmetal(zinc,energy,whichisrichincheapresourcesandrenewable.Bescell.Itiscomposedofreactivenegativematerial(Metal)andinexhaustiblepositivematerial(Air)throughsomeelectrochemicalreactions,andhashighspecifandspecificpower.Moreover,ithasmonopollution,non-toxic,lowcost,largecapacity,density(2980Ahkg-1),environmentalprotection,safetyandrienvironmentalproblems.Atpresent,theairbatteryisintheinitialstageofindustrialization.Solvingtheself-corrosionandimprovperformanceoftheairbatteryarethekThroughtheconstructionofthemicro-nanostructureofthisprojectdeeplyunderstandsthestabilitymechanismofthethree-phcatalyst,electrolyteandreactiongas,andprovidestheobasisforthedevelopmentofthemembraneeleMicro-nanostructureconstructionofmembraneelectrode:Throughthestructureandfunctionanalysisofprotonmembrane,catmicro-nanostructureofmembraneelectrodewasdesignedtofacilitatetproton,electronandreactants,andtheappropriatemicro-nanoparameterswereproposed.Theorderedmembraneelectrodewaspreparedbymeansofimpregnationreductionmethodandothermethods.Studyonthestabilitymechanismofthethree-phaseinterfaceformationofmembraneelectrode:Themicro-nanostructureostabilitymechanismofthethree-phaseelectrochemicalmethods,etc.,andtheinternalrelationshStudyontheenergyconvtransportandmigrationbehaviorofprotons,electrons,reactantsandproductsaswellastheinfluencingfactoefficiencyoftheelectrochemicalreactionoftheorderedmembraneelectrodewasKeywords:MetalaMicrosodiumstructureofmembraneelectrode;Thet目录 51.2课题研究现状 61.3课题的研究目的与主要内容 13 142.1金属空气电池 2.3空气电极 15 22 24 25 26 3.1化学原理及原理图 27 283.3电化学聚合法 54.1旋转环盘电极 4.2空气电池能量转化效率 39 40 41毒、无污染、放电电压稳定、比能高、存储寿命长、价格相对低廉等众多优于空气负极氧还原反应动力学缓慢，Al-air电池的功率密度并不理想，阻碍了其广泛的商业应用。因此，开发高效、廉价的Al-Air电池ORR催化剂迫在眉睫。金属/空气电池采用轻金属作为负极的活性材料，空气中的氧气作为正极的活性材料。氧气通过气体扩散电极到达气-液-固三相界面，与金属负极反应产生电能[6]。它具有无毒、无污染、放电电压稳定、比能高、存储寿命长、价格相1.2课题研究现状目前，金属空气电池的研究已经取得了很大的进展，锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池、铁空气电池为目前金属空气电池的主要研究对象。然而，由于铁/空气电池放电电压低、质量比能低、开发和使用成本高，科学家对这类空气电池的研究较少。下面将描述每一种电池的发展。锌空气电池锌空气电池是以活性炭吸附空气中的氧或纯氧为活性物质作正极，锌为负极，氯化铵或碱液为电解液的原始人电池。所以也叫锌氧电池。锌空气电池有两个系统，分别为中性系统用A表示和碱性系统用P表示，后面的数字表示电池的型号。锌空气电池的主要缺点就是充电过程非常缓慢。目前为了解决这个问题，通常是等待锌空气电池的锌正板或锌粒被氧化成氧化锌而失去活性，然后直接更换锌板或锌粒电解液的方法来彻底更新锌空气电池。放电过程中正、负电极与总反应的化学方程为：化学方程式在中性溶液中：2Zn+4NH4Cl+02→2Zn(NH3)2Cl2+2H20在碱性溶液中：2Zn+2NaOH+02→2NaHZnO2将锌锰电池中的二氧化锰碳包改为含铂的多孔碳电极池技术。锌-空气电池的电压约为1.4V,放电电流由含铂的多孔碳电极的氧吸附积的锌锰电池的充电量大3倍以上。通过查阅资料可知，大型的锌空气电池的充电容量一般为500～2000Ah,大量用于道路警示灯。而其电容量较小的，例如纽扣型锌空气电池充电容量为200～400mAh,广泛应用于助听器。锌空气电池的优点是理论比能达到1350Wh/kg,实际比能约为180~230Wh/kg,它相较于传统铅酸电池，比能是后者5倍以上。除此之外锌组空气电池二次电池可以设计为机械式充电”[9]。铝/空气电池是以铝或铝合金为负极，以空气为正极，以中性或碱性水溶液和碱，电阻率低，电化学等效系数高(2.98Ah/g),电极电势为-1.66V,所以它是金属-空气电池的热门材料。铝/空气电池电化学反应原理为：碱性条件下4al+302+6h2o+4oh-→4al(OH)4-,中性条件下4al+302+6h2o→4al(OH)3。在电池放电过程中，铝合金不断被消耗并产生Al(OH)3。正极是多孔氧电极，类似于氢氧燃料电池中使用的氧电极。当电池放电时，从外部进入电极的氧气(空气)会发生电化学反应生成OH-。电解质可分为两种：一种是碱性溶液，另一种中性溶液(NaCl或NH4C氧电极主要由防水透气层、导电栅格和催化层构成。铝-空气电池目前所需要解决的关键技术有以下4点：(1)在电解过程中铝氧化后会产生铝氧化膜，这会导致铝电极电位升高，不仅如此氧化膜的破坏又会析出大量的氢，难以使溶解停止，使电池失效。(2)铝电极的腐蚀率过高，需要新的材料并且新的电极形状，以减小铝电极的腐蚀率，使电池功率和放电密度得到提高。(3)电极反应的效率太低迫切需要新的电极催化剂。(4)电解液的活性控制及反复利用。解决方法目前在铝/空气电池的关键问题研究中，人们讨论的焦点是铝电极的极性，普遍的做法是利用在高纯铝中添加一定量的其他金属，变成双或多合金，从而提升铝电极的钝化膜性能，使其在放电过程中更具活性，变得易坍塌。同时，合金元素的加入还可以使得铝在电解液中不易腐蚀从而降低铝的腐蚀速率。已知的改进方法中电极材料是以A1-Ca、Al-In、A1-Ca-in合金为基体，辅以铅、铋、锡、锌、镁、镉、锰等元素形成的一系列正极材料。为了提高铝[10]的利用率，除了添加金属元素可以以外，还可以在电解液中添加腐蚀添加剂，很大程度上可以抑制铝的腐蚀[11]。其次研究的重点为电极形状，电极形状也可以减缓铝电极的腐蚀速率，提高电池功率和放电密度。据我所知解电极形状可以选用楔形、圆柱等。在电解液方面，当电解液选用盐溶液时，电池放电产品会形成凝胶，电池电阻会迅速增加，使得电池效率降低，所以一般不选择它。电解液还有两种：一种是中性溶液(NaCl或NH4CI水溶液或海水),另一种是碱性溶液，这两种为目前使用的电解液。铝/空气电池氧电极主要由防水透气层、导电栅格和催化层组成。其氧电极的工作电流密度可以达到650mA/cm2,系统的输出功率得到了增强。氧电极催化剂的研究是主要研究方向，主要选择有贵金属催化剂、金属复合氧化物催化剂(尖晶石、钙铌酸钙、焦绿石)、过渡金属碳基化合物和有机催化剂。与上述所讲稀有催化剂相比，Mn02催化剂的性价比最高，所以具有非常广阔的应用前景。因为这些铝/空气电池关键性技术能够取得突破，所以它的应用前景还会更广泛，在移动充电、电动车、军用武器、便携式电源、移动电站等领域将有很大的作用。在目前最火热的新能源汽车产业中，特斯拉所推崇的电池就为铝空气电池。镁/空气电池镁/空气电池采用金属镁或镁合金作为负极的活性物质，空气中的氧气作为正极的活性物质。氧气通过气体扩散电极到达气液固三相界面，与镁负极反应产生电能。根据电解质性质的不同，反应机理也不同。在水溶液体系中，电池反应为Mg+1/202+H20→Mg(OH)2,在有机体系中，电池反应为Mg+1/202→Mgo。它的理论能量密度仅次于轻金属锂和铝，也是是金属空气电池[12]的理想电极材料。不同的镁/空气电池的化学反应方程式为镁锰电池镁海水电池AgClCuCl镁空气电池其他电池锂/空气电池锂/空气电池以金属锂为负极，空气中的氧气为正极，可以选择非水溶液或水溶液为电解质，通过锂与氧气的电化学反应产生能量。根据电解质性质的不同，反应机理也不同。在非水溶液中，电池反应为2Li+2E+02→Li202,而在水溶液中，电池反应为2Li+1/202+H20→2LiOH,[13]。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为它们的阴极(主要是多孔碳)非常轻，氧气从环境中提取而不是存储在电池中。从理论上讲，由于氧不受作为阴极反应物的限制，电池的容量仅取决于锂电极，其比能量为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-空气电池具有更高的比能，因此更加值得发展。然而锂空气电池方面的研究在业内也一直存在着不少质疑之声，不少人认为锂空电池定义不明(应叫锂氧电池)、反应机理复杂、极化大效率低、循环寿命不佳，且没有重要行业推动下，其电池工业很难向的合适方向发展。当然在此过程中，研究人员不断努力开展工1.3课题的研究目的与主要内容总反应：4M+nO₂+2nH₂O→4M(OH),补了基于连续介质力学方法的实验得出的本构关系对某些复杂情况如材料化学成分变化的预测能力的不足。2017年至2018年，Z.Shokrieh[18]、七Ukasz以设计具备特定力学性能的新型纳米复合材料。Nano合材料的弹性等性质。图1.1预测碳纳米管参杂质子膜材料力学性能的多尺度理论框架[分子动力学研究]2018-2019年，Rahimian[23]、Kumar[24]等利用分子动力学方法研究了聚合物基碳纳米管复合材料的有效弹性模量和碳纳米管与基力学方法分析了聚合物基碳纳米管复合材料中碳纳米管与不同聚合物分子之间1.4研究设计的方法2金属空气电池2.1金属空气电池金属空气电池是一种发展潜力巨大的绿色无污染的燃料电池，被称为21高、存储寿命长、价格相对低廉等众多优点。这种电池以金属(锌、镁、锂、铝等)和氧气为燃料，将化学能转化为电能，资源丰富，低廉，可再生。而且结构2.2金属空气电池的工作原理O₂+2H₂O+4e⇔40H(E₀=+0.401V………………电解质和其他因素，放电反应的一般通式为M→M"++ne…………………(2.2)该金属/空气电池由一个活跃的负极和一个空气电极之间的电化学反应，与一个用之不竭的正反应物供应。在部分情况下，金属/空气电池的质量和体积能量很高。系统的最终容量取决于负极的安培时容量和反应产物的储存和处理技金属/空气电池，如原电池、蓄电池、可充电电池、机械可充电电池等已被研发出来。在机械充电电池设计中(即在放电后更换金属负极),电池本质上是原电池，空气充电是一个相对简单的单功能”电极，只需要在放电模式下操作。么需要一个双重功能”电极(既能减少氧气又能产生氧气)。2.3空气电极否能形成足够多的有效三相界面这将决定着催化剂的利用和电极的传质过程图2.1锌空气电池原理示意图空气电极反应是一个可逆性很小的复杂四电子反应。空气电极作为正电极，应具有良好的导电性以降低电阻、适当的孔隙率、足够的机械稳定性、电解质中的化学稳定性和长期稳定的电化学性。电极组成及其影响一个好的载体可以提高催化剂的效率，使得催化剂需求减小达到节约成本提高效率的目的。普遍的催化剂制备方法是将催化剂与活性载体混合(如活性炭、乙炔黑、石墨等)。优良的吸附性能、大的比表面积和优良的导电性是我们挑选活性载体的标准。石墨具有结构稳定、耐腐蚀、导电性好、粒度细等优点，石墨具有结构稳定、耐腐蚀、导电性好、粒度细等优点，均可作为载体材料。微孔。目前，碳载体有活性炭和炭黑两种。电催化剂必须具备的基本性能主要包括：经过两个一般比较容易测量和提高性能，但影响催化剂活性的因素很多，大体上可以分为能源因素和空间因素两类，但实际制备过程的困难也直接决定着电催化剂的浓度以及各种比表面积、表面形状和表面暴露以及晶体缺陷等。电极胶应具有良好的粘度，使制备的电极具有一定的机械强度。同时还具有疏水性，可建立燃气网络通道，形成三相反应界面。具有良好的导电性，减少欧姆极化。常见的一种非极性粘合剂是聚四氟乙烯(PTFE),在300C左右热压状态下，聚四氟乙烯形成三维网络，使活性物质不会脱落，具有很好的碱性，其唯一确定就是碱性很低。外部环境的影响(1)空气中二氧化碳的影响在碱性环境中，空气中的二氧化碳应始终保持在100x10-6以下，因为二氧化碳会形成碱性碳酸盐并积淀在电极的微孔结构中。锌电极中合金元素和电解液的特性也会影响空气电极的性能和寿命。此外，活性物质中的有害物质、膜的稳定性和膜的抗氧化性对锌-空气电池的性能也有不同的影响。空气电极催化剂空气电极催化剂材料的一般要求是：A对氧还原/沉淀具有良好的催化活性。B能促进过氧化氢的分解。耐电解液和氧化/还原气氛腐蚀；D高电导率和比表面积对于不同的材料，大的比表面积并不意味着高的催化活性。然而，对于相同的材料，更大的比表面积意味着更多的活性中心和更高的活性。氧电极催化剂的不断更新促进着金属空气电池的不断向前发展。减少正电极反应过程中的电化学极化始终是人们的追求，人们对氧化还原反应的电催化剂进行了广泛的研究。氧化还原电催化剂的历史选择中，最早被人们选中的是碳，但其催化活性很低。到了近代由于冶金技术的发展，新制造的氧电极催化剂主要包括：铂及其合金、金属螯合物、金属氧化物(如锰氧化物、钙钛矿氧化物等)、银等2.4锌空气电池锌-空气电池的优点包括：放电性能稳定、容量大、比能量高、成本低、。是一种极具市场前景的化工电源。然而，由于锌-空气电池放电电流密度低，贵锌-空气电池的阴极是来自空气中的氧气的活性物质，阴极是廉价的锌。在电动势：在常温常压下，空气中氧气的分压约为常压的20%。1.636V,实测开路电压为1.40～1.45v,工作电压为0.9～1.3V。在金属/空气电池中，锌是最受欢迎的。这是因为在水溶液和碱性电解液中相对稳定，添加适当的抑制剂后不会发生显著腐蚀的电解液为碱性或中性的一种电池。它具有自放电率低、能量密度高、电池容量受放电强度和温度的影响小、安全、性价比高、无污染等优点。锌在工业锌/空气原电池中已使用多年。最初，这些产品是使用碱作为电解液的大型电池，用于铁路信号灯、长途通信和航海导航设备，这些设备需要长时间、低速率放电。薄层电极技术正在开发中，用于小(按钮),高容量原电池用于助听器，寻呼机和类似的应用。2.锌空气电池特性(1)常温常压可操作，无需外压平衡设计；(2)目前，锌空气燃料电池的单位重量实际能量达到230W.h/kg,几乎是铅酸电池的8倍，超过了现有的镍氢电池和锂离子电池，未来还有很大的发展空间；(3)自放电率低，如果放置在密闭空间，放电率几乎为零；(4)重量小、体积小、容量大、系统结构简单；锌空气燃料电池也具有良好的环保性，当它发电时，主要有两种产品，即水蒸气和氧化锌，这些物质经过处理后可以重复使用，属于零污染；(6)锌空气燃料电池所需的反应物主要是锌和空气，它们都是低成本的材料，所以锌空气燃料电池的经济性是毋庸置疑的；⑦可在较宽的温度范围内正常工作且无腐蚀，工作安全可靠；⑧锌空气燃料电池的应用非常广泛，如3C产品，电动汽车或地区发电机。锌-空气电池具有上述高比能的优点，但其比功率小(90W/kg),不能存储再生制动能量，寿命短，不能输出大电流和难以充电等缺点。作为补偿，使用锌空气电池的电动汽车通常配备其他电池来帮助启动和加速。在单体电池中，锌作为正极，氧作为负极。采用外置氧气设计。锌空气电池的两侧有两个高功率、长寿命的空气电极。成品锌空气电池是由一组单电池串联而成。机载锌-空气动力电池组还包括空气循环支撑系统和热管理系统两个子系统，以保证动力电池组的长期稳定运行。空气循环保证系统，调节进入锌空气电池负极的空气量，当电池不使用时，空气可以自动切断。热管理系统保证了锌空气电池组的可靠工作。糊状锌粉在正端，催化碳在阴极端。电池外壳上的一个孔允许空气中的氧气进入舱室，并与阴极中的碳相连接。与此同时，阳极上的锌被氧化。阴极是从空气中吸收氧气的催化碳。阳极——锌粉和电解质的混合物，形成糊状。电解质——高浓度氢氧化钾水溶液。隔离层——用于隔离两级之间的固体淤泥颗粒的运动。绝缘密封垫片-尼龙材料。电池的外表面为金属镍外壳，具有良好的抗腐蚀导体。负极(锌)隔膜疏水膜正极(氧)气孔weeK正极外壳图2.2锌空气电池结构图的基本功能锌空气电池充电模式，打破了传统的普通电池充电模式，板或锌粒充电”模式，整体改变锌空气电池的活性物质，将取代整个锌空气电池，电池将不再需要花很长时间，更换20kwh电池块仅需1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒箱、电解液箱的机械整体替换站，就如内燃油机加油一样方便，可以直接充电”,为用户提供了极大的便利。锌空气电池的开路电压为1.45V,工作电压为0.9～1.30V,每月自放电0.2%~1.0%,可在-20～40C°温度范围内使用。电池中实际比能最高，放电曲线稳定。高倍率电池适用于大电流放电，但使用寿命短，常用作助听器供电低倍率电池适用于小电流放电，使用寿命长，适用于电子表应用。锌空气电池主要由正极、负极和电解液组成。正极是空气电极(氧电极),负极是金属电极(锌电极),电解液主要是氢氧化钠或氢氧化钾碱性溶液。例如，碱正极(空气电极)反应：1202+H2O+2e-2OH(2.11)负极(锌电极)反应：电池总反应：1.1正极(空气电极)使其分散均匀，冷凝后滚成。按照防水透气膜、集电极网和催化膜的顺序压制成型为集电极网埋入式，这是目前最常见的空气电极。积极的活性物质来源于空气中的氧气。空气中的氧气首先溶解在电解液中，然后扩散并吸附在空气电极的催化膜上。在催化剂的催化下，在气、液、固”三相界面发生还原反应生成OH-。所产生的OH-然后扩散到锌的负电极，并与锌反应。负活性物质是金属锌或锌合金(如锌与Ga、In、Pb、Bi、Sn等一种或多种元素的合金)粉末或小颗粒。锌电极的制备方法包括压实法、膏体法、烧结法、电沉积法和化学法。较为普遍的制造方法是将锌粉和锌合金粉末与适量的凝胶(交氢氧化钾电解液和其他一些添加剂制成锌膏，然后将锌膏液粘接放入阴极和阳极电流设置中。隔膜在阳极和阴极之间必须放置绝缘多孔聚合物膜，以防止阳极和阴极之间短路。隔膜材料可以是一种材料或多种材料的复合，如聚稀烃、聚酰胺(如尼龙)、氟碳树脂、玻璃纸、滤纸等。锌空气电池所用的电解液为氢氧化钠、氢氧化钾碱性溶液，后者的饱和形式为主要选择，并通过添加无机缓蚀剂或有机缓蚀剂来缓解锌的腐蚀。2.5铝空气电池铝空气电池的化学反应与锌空气电池相似。铝空气电池以含99.99%铝的高负极(Al):总反应式：e空气入口铝阳极电解液空气电极图2.3铝空气电池原理示意图Fig2Aluminum-alrreservecell图2.4铝空气备用电池原理示意图于酸和碱。其形态多样，电阻率低(2.76μmol/cm),电化学等效系数高(2.98A·h/g),的铝合金电极表面氧化膜容易被破坏，电位发生较大的负移位。但是铝表面的氧化膜被破坏，就会增加水还原反应的速率，产生大量的氢气，其溶解很难停止。这些问题制约了铝空气电池的发展。特点~(1)高比能，电池的理论比能达到2290W·h·kg-1,实际比能达到300~400W.h.kg-1。这比现在的电池的功率要高得多。②铝电极与氧电极均可更换大大延长使用寿命，使用寿命可达3～4年。(3)无毒、无有害气体，对环境无污染。反应所形成AI(OH)3可作为沉淀剂用于污水处理非常环保。④可设计为电解液循环和非循环两种结构形式，便于针对不同使用场合进行设计。⑤铝资源丰富，原料充足。⑥比功率中等，50～200W.kg-1,由氧电极决定。氧电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电极化很大。氢气和氧气燃料电池的比功率不高，这也是原因。2.6镁空气电池镁空气电池具有比能高、操作安全方便、原料来源丰富、成本低、燃料储存和运输方便、使用温度范围广、污染小等优点。作为一种高能化学电源，在便携式电子设备电源、潜水艇和备用电源等领域用途广阔。镁阳极的研究由于镁的高化学活性和低电极电位，镁溶解在大多数电解质溶液中很快，产生大量的氢，导致阳极法拉第效率下降。普通镁(纯度99.0%～99.9%)中有害杂质是微电偶腐蚀反应的驱动力，导致镁的自腐蚀速率增加。同时，反应过程中产生了致密的Mg(OH)2钝化膜，影响了镁阳极的活性溶解。寻找高阳极利用率的镁合金负极材料的关键是寻找高性能的镁合金材料，减少析氢腐蚀，解决活化与钝化的矛盾。2.8锂空气电池在相同体积下，锂金属电池的容量要大30%左右，在相同质量下，能量要高30%左右。锂金属电池的成本比锂离子电池低40%左右，因为它们只需要很少的化学处理，而且电池不需要化学处理。特别是其标准化的3V电压平台，不仅易于组合成适合各种电器的电池，而且是大型商用2V半导体芯片的最佳配套电池。通过导线供应电子，空气中的氧气和水在微细化碳表面发生反应后生成氢氧根离子(OH-)。在正极的水性电解液中与锂离子(Li+)结合生成水溶性的氢氧化锂(LiOH)。金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶解的锂离子(Li+)穿过固体电解质移到正极的水性电解液中。++图2.5锂电池原理示意图使用金属锂作为锂空气电池的电极存在很多问题：锂是活性的，容易腐蚀和自放电现象，影响电池的寿命；开发有效的阳极或阴极材料和伴生电极催化剂，以提高氧活性；锂相对昂贵，限制了电池的使用范围。锂空气电池可以采用合金来减少锂阳极的自放电目前，锂空气电池无法与锂离子电池相比。需要进一步提高其性能，扩大其应用范围。2.9铁空气电池铁空气电池是一种极具发展前景的电化学动力源。铁-空气电池以廉价的铁为电极材料，可加工、使用和回收，对环境无害。与其他金属燃料电池最大的不同是，铁空气电池可以使用少量的镍、钴和银作为催化剂，而不是贵金属铂，这比其他金属燃料电池要经济得多。铁空气电池原理采用大型铁电极材料的空气电池具有价格低廉、污染少、铁电极材料来源丰富等优点。其反应如下：铁首先氧化为Fe(OH)2,然后氧化为FeOOH。当铁电极在碱性溶液中阳极极化较大时，容易形成钝化膜，大大降低了电极的活性表面，大大降低了电极的容量，缩短了电池的使用寿命。在低温下，更容易形成致密的覆盖层，使铁电极牢固结合，防止铁电极的阳极反应，从而使负极的容量显著降低。铁空气电池有个问题碱性电池中的铁电极主要存在以下问题：(1)铁电极在碱性溶液中容易钝化铁空气电池在大电流或较低温度下放电时，其容量会大大降低。这是由于铁电极的钝化，大大降低了电极的活性表面，导致电极容量急剧下降。在碱性溶液中，铁电极容易析出氢。同时，铁产生亚铁氢氧化物，导致铁电极自放电，降低了电极中活性物质的利用率。氢沉淀的标准电极电位较正，通过比较不同金属上的氢沉淀过电位，发现在不同电流密度下，在铁上的氢沉淀过电位小于在铬、锌、铅上的氢沉淀过电位。因此，铁作为电池负极材料，其充电效率低于相同电池负极的铬、锌、铅一些。目前，为了提高铁电极的性能，研究的重点是开发廉价、高活性的烧结铁电极和寻找有效的添加剂来防止铁钝化和自放电。金属空气电池常用的阳极材料电化学性能比较表2.1料电化学当量理论电压(对氧阴锂铝镁铁锌3结构的说明3.1化学原理及原理图金属锂以锂离子(Li+)的形式溶于有机电解液，电子供应给导线。溶(2)正极反应(02+2H2O+4e-→4OH-)通过导线供应电子，锂离子(Li+)由正极的水性电解液穿过固体电解(2)正极反应(4OH-→02+2H2O+4e-)负极有机电解液水性电解流空气极(多孔碳)图3.1电池充放电原理示意图3.2浸渍还原法是金属原子的结合和ZSM-5的状态不一样。由于ZSM-5是一种具有Si-Al结构的与活性中心有关。由于不同物质在水溶液中的等电点不同，浸渍pH值对浸渍量3.3电化学聚合法定义电化学聚合(电化学聚合简称ECP)是指单体在电解池中，经过一定的电化学反应，在电极上发生氧化、还原或分解为自由基或离子的聚合反应。电化学聚合也可简单地称为电解聚合、电聚合或电引发聚合。电化学聚合的特点：(1)装置简单，条件易于控制，可控制聚合物膜的厚度；(3)获得具有不同结构和性能的功能膜；(5)可以同时掺杂单体聚合。电化学聚合的类型及反应机理电化学聚合分类：根据链生长过程可分为电化学缩聚反应和电化学加成聚合反应。按聚合反应是在阴极上还是阳极上可分为阴极聚合反应和阳极聚合反应。电化学聚合机理机制1:RR进程聚合反应由自由基-离子和自由基-离子组成在缔合逐渐生长的过程中，单体本身和聚合产物都是通过电极反应聚合成聚合反应的中间产物。它是一个通过自由基离子与底物(可能是单体或分子量较高的中性聚合物)缔合而形成的循序渐进的链式生长过程。电化学聚合反应的影响因素2电解质溶液3溶剂4电化学聚合方法5聚合电位6电流密度7扫描速率8电极材料聚邻氯苯胺的循环伏安曲线电化学聚合物的研究与表征b.POAPb+图3.3循环伏安曲线图BBc4光电子能谱其它方法4分子量5元素分析导电聚合物的基本性质可逆的氧化还原性质导电聚合物的掺杂本质是氧化/还原反应，这个过程在一定电压范围内是可离子选择性再掺杂过程只允许与原始掺杂离子体积相似或小于原始掺杂离子体积的离用于电磁屏蔽和静电防护的材料的电导率要求为10-1~106S/cm。高导电性日本科学家在二氧化钛悬浮的苯胺溶胶中通过电聚合制备了Panl/Ti02复合导电聚合物具有半导体性质，可以掺杂N-和P-型们也是制造电子材料的理想材料。早在1990年，首次报道了聚合物发光二极管电化学聚合在水溶性聚合物制备中的应用电化学聚合在纳米材料制备中的应用4.1旋转环盘电极还原系数的比值为氧化产物的收集成正比，实验结果可以验证这一点。是通过两电子途径先还原为中间产物H2O2,再进一步还原为H2O或OH-。如循环伏安法(循环伏安法)是研究电极反应动力学和机理中最常用的电化学瞬态实验方法。它以三角电位-时波作为激励信号，在已知电位扫描速率的情况下，电位从E1到E2逐渐线性变化，然后沿相反方向进行扫描。返回初始电位E1,实验中记录激励信号对应的电流-电位关系曲线，即循环伏安曲线。循环伏安法中最特征物理量是消极和阳极电流峰的峰值电流(JPC和JPA)及其比率JJPC高峰潜在EPC和EPA,峰值一半潜在Ep/2(即J=JP/2),和峰值潜在的阳极和载在铂碳电极上，负载量以20ug/cm²为宜。以铂碳电极为工作电极，饱和甘汞-0.6V-0V,扫描速度10mV/s。0.0图4.1扫描速率图图一.旋转环盘电极在5mMK₃[Fe(CN)₆]+5mMK溶液中的循环伏安曲线，转速为0。生氧化电位为0.2248V,还原电位为0.1378V,二者相差87mV,其余59mV相差较近，说明可逆性较好。0 图4.2扫描速率图——200r/s—图4.3扫描速率图图二.不同扫描速度下在5mMK₃[Fe(CN)6]+5mMK₄[Fe(CN)6]+0.1MKCl混合溶液中的循环伏安曲线从图二可得随着扫速的增大，极限扩散电流不断增大，这和已得公式吻合的较好!转速(r/s)表一.不同扫描速度下在5mMK₃[Fe(CN)₆]+5mMK₄[Fe(CN)₆]+0.1MKCl混合溶液中的收集系数。从表一数据可得随着转速的增大，收集系数并没有任何改变的趋势，其稳定在35%左右，说明对于氧化产物的还原效率并不是很高。图4.4速率图图3所示。玻碳电极在0.1molLKOH溶液中的循环伏安曲线由图3的循环伏安曲线可以看出，电流在-0.3V~-0.2V时急剧增加，说明此时发生了氧化反应，但在极限电流附近出现了尾部现象，说明催化剂在电极表面的分布并不均匀。结论对旋转环形圆盘电极的反应有了一定的了解，掌握了电化学实验中的一些基本操作。同时，我可以对实验数据进行合理的处理，得到合理的结论。唯一的不足是对氧还原反应的了解还不够深入，在其数据处理方面还有一些我不了解的地方。因此，需要通过文献阅读和书评来加深对氧还原的理解!4.2空气电池能量转化效率锂氧电池或锂空气电池是改善当今能源储存技术的诸多途径之一。锂电池和其他金属-空气电池因其具有高能量密度的潜力而受到研究的青睐，但其低效率量屏障(多余的输入能量)最小化，是这项技术发展中的一个关键挑战。”印度理工学院的研究小组开始设计一种催化剂。在之前的进材料》杂志上发表的用于锂空气电池低过电位和长循环寿命的三种超材料磷这是锂空气电池中最低的。经过1200次循环，电池保持了几乎100%的初始性能。然而，在1000个周期后，细胞开始失去性能，该团队将其归因于电荷氧化一个很有前途的能源存储发展。由于其在锂空气电池组中所发现的独特的电子5总结在本次设计的第二章节当中我们对其中的金属空气电池的基本工作原理进类型的空气电池进行了分析和对比；在本次设计的第三章节当中，我们对各类空气电池的化学原理进行了分析和研究并绘制了对应的原理图方案，对充放电过程当中正负极方向的化学变化进行了分析对比；同时我们还对重要的研究概念进行了分析和理解，其中包括浸渍还原法、电化学聚合法；明确了电化学聚合法主要指的是单体在电解池中，通过一定的电化学方法，在电极上发生氧化、还原或分解为自由基或离子的聚合反应；明确了浸渍还原法指的是将活性组分(包括助催化剂)以盐溶液的形式浸渍在多孔载体上，并向内表面渗透，形成高效催化剂；在本次设计的第四章节当中，我们对旋转环盘电极对能量转化率对能量转化率影响这一问题拆分为两个问题进行了研究分析，即旋转环盘电极和能量转化率这两个概念明确了其中旋转环盘概念指的是氧化反应在磁盘上电极，氧化产品旋转转向圆电极发生还原反应，但由于部分氧化的径向流产品的解决方案将圆盘的边缘和传播到解决方案，所以氧化产品不能完全恢复，因而极上的还原系数的比值为氧化产物的收集，并且采用了实验方法对其中的关键问题进行了分析和验证；另外在能量转化当中经过多位科学家的论证证明由于其在锂空气电池组中所发现的独特的电子和结构特性，所开发的表面重建三元钼磷化催化剂具有动力学稳定的氧化涂层，为可持续能源存储系统的发展提供了巨大的前景；骤，检查他们不仅学到知识，而且获得新的经验和启示。学会了使用各种软件寻找信息或实验数据方法„在导师的指导以及同学的帮助下，保证了设计的进度，最终完成了此次毕业设计。本论文对金属空气电池力学性能进行了研究，通过前期的铺垫，查阅资料，以及认真辅导的您让我系统的了解了知识的重要性，对一项科学的探讨，探寻并不容易，我确实需要不断的学习，不断改进做好。总而言之，本次设计已经完成了老师和同学们的帮助，感谢你们在大学的学习中对我帮助最大的老师和同学们，是大家通过我的论文的帮助。通过这次毕业设计，让我们学到很多知识，为以后的设计工作做充分的准备。[1]YANGSH,KNICKLEH.Designand2002,112(1):162-173.[2]冯晶，陈敬超，肖冰.金属空气电池研究进展[J].材料导报，2005,19(10):[3]许艳芳，郑克文.金属空气电池的发展和应用[J].舰船科学技术，2003,25(1):66-70.potentia