金属空气电池(讲稿)

1金属/空气电池1.金属/空气电池简介1.1金属/空气电池概念

金属/空气电池是用金属燃料代替氢能源而形成的一种新概念的燃料电池，有望成为新一代绿色能源。电解质大多数为中性或者碱性，放电过时正极反应方程式为：O2+2H2O+4e=4OH-E=0.401V金属/空气电池的理论能量以负极金属的能量来衡量，负极的电化学反应可以写成：M→Mn++ne式中：M代表的是电池中所用的金属，n值的大小取决于电池中金属被氧化的价态21.金属/空气电池简介1.1金属/空气电池概念★能量密度高★质量轻★无毒无污染★成本低31.金属/空气电池简介优

点缺

点高体积比能量放电电压平稳极板寿命长（干态贮存）无生态问题低成本（以所使用的金属为基础）操作范围内，容量与负载和温度无关依赖于环境条件，一旦暴露在空气中，电解质干涸缩短极板寿命电极被淹会减小输出功率，功率输出有限操作温度范围窄负极腐蚀产生氢碱性电解质碳酸化1.2金属/空气电池的优缺点4铝/空气电池、镁/空气电池锌/空气电池、锂/空气电池钙/空气电池、钠/空气电池铁/空气电池、铍/空气电池钛/空气电池。1.3金属/空气电池分类根据负极金属材料分类1.金属/空气电池简介根据电池可充性分类一次电池二次电池机械可再充电池5ConceptTextTextTextTextTextText1.4金属/空气电池性能比较1.金属/空气电池简介6ConceptTextTextTextTextText金属负极金属电化当量/(A·h/g)热力学电池电位*/V金属理论质量比能量/(kW·h/kg)实际工作电位/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.金属/空气电池简介1.4金属/空气电池性能比较7主要集中在锌/空气电池、铝/空气电池、镁/空气电池、锂/空气电池铁/空气电池的放电电压和质量比能量都较低，并且开发使用成本相对于其它金属/空气电池要高，所以研究较少。2.常见金属/空气电池铝/空气电池、镁/空气电池、锌/空气电池、锂/空气电池、铁/空气电池82.1锌/空气电池—组成及工作原理

锌空气电池是以金属锌为负极、以氧气为正极、用氢氧化钾水溶液为电解质溶液。2.常见金属/空气电池9理论比能量可达1350Wh/kg，实际比能量约为180~230Wh/kg，是传统铅酸电池的5倍以上成组的锌空气电池具有良好的一致性，允许深度放电，电池的容量不受放电强度的影响适用温度范围宽泛(－20~80℃)具有较高的安全性，可有效防止因短路、泄漏造成的起火或爆炸空气电极的寿命长，当电池容量用完后，只需更换锌板负极就可实现电池能量的重新补给，“机械式再充电”2.1锌/空气电池—优势2.常见金属/空气电池10防止锌电极的直接氧化，抑制锌枝晶的出现；空气电极催化剂活性不能偏低；阻止电解液的炭酸化。2.1锌/空气电池—关键技术2.常见金属/空气电池112.1锌/空气电池--研发现状2.常见金属/空气电池抑制锌枝晶：加人电极添加剂和电解液添加剂（季胺盐、硫酸盐、聚乙烯醇等），选择合适的隔膜以及改变充电方式获得高催化活性的正极催化剂及助剂：金属氧化物、过渡金属大环化合物、碳基材料及其复合物，有望替代Pt等贵金属催化剂防止电解液碳酸化；防止锌电极钝化：在锌电极中加人具有高氢过电位的金属氧化物或氢氧化物；通过抑制锌变形的方法等，减弱锌电极的钝化趋势12

锂/空气电池以金属锂为负极，常以多孔碳基材料为正极，通过金属锂与空气中氧气发生氧化还原反应而产生电流，又被认为是一种类燃料电池。2.2锂/空气电池—组成及分类

根据电解液的类型，可分为非水系锂、水系、混合以及固态锂空气电池。2.常见金属/空气电池13

对于水系及混合锂空气电池：4Li+O2+2H2O→4LiOH（中性或碱性电解液）4Li+O2+4H+→4Li++2H2O（酸性电解液）

在非水性电解质中：2Li+O2→Li2O2

或4Li+O2→2Li2O2.2锂/空气电池—工作原理2.常见金属/空气电池14

2.2锂/空气电池—优势2.常见金属/空气电池锂在金属电极中具有最高的理论电压（3.35V）和电化学当量（3.86Ah/g），锂/空气电池与锂离子电池相比，同体积时容量要大30%左右，同重量时能量要高30%左右。由于锂/空气电池以及正极不需要进行化学工艺处理，其成本要比锂离子电池低40%左右。其标准化的3V电压平台，便于组合成适用于各种电器使用的电池，更是大规模商业化的2V半导体芯片的最佳配套电池。15锂性质活泼，极易发生腐蚀和自放电现象，影响电池寿命。有机液体电解质存在容易挥发，影响了放电容量、使用寿命及电池安全性。在空气中使用时，锂/空气电池需要解决如何防止气体进入电池的问题。有机液体电解质容易吸收水分而导致负极在空气中腐蚀；另外，H2O和CO2

的存在会使产物锂氧化物减少，而反应生成的Li2CO3

不具有电化学可逆性，从而导致锂/空气电池的循环性能下降。2.2锂/空气电池—关键技术2.常见金属/空气电池16放电产物堆积在碳材料的孔隙中，堵塞空气电极孔道催化剂问题2.2锂/空气电池—关键技术2.常见金属/空气电池172.2锂/空气电池—研发现状2.常见金属/空气电池负极：使用有机电解液或Li+交换膜来保护金属锂不被腐蚀电解液及隔膜：使用高化学稳定性、低挥发性、高导电性的电解液；使用保护膜防止电池体系受到空气中H2O和CO2的侵蚀正极：使用高效正极双功能催化剂，如金属氧化物、碳材料、过渡金属大环等，并使用高比表面的正极材料，为不溶性放电产物堆积提供空间182.3锂/空气电池—挑战2.常见金属/空气电池193.金属/空气电池应用前景以色列Phinergy公司开发出一种25公斤的铝/空气电池组，充电一次可使电动汽车行驶1600公里在原型样品中，每个电池里面共有50片铝片，每个铝片可以驱动汽车行驶20英里，这样算下来就有1000英里（1600公里）了3.1以色列Phinergy公司开发铝/空气电池这些铝片的总重量有55磅（25公斤），还是有点重。它的能量密度是现有锂离子电池的100倍电池将在2017年面向市场批量生产203.2FluidicEnergy公司开发锌/空气电池FluidicEnergy公司通过添加离子液体使生成的金属锌结构致密均一；该公司同时生产出空气/电池其运行时间是市场上其它空气/电池的5~7倍；该种金属/空气电池有望代替铅酸电池和柴油机供电信塔使用，但离电动汽车的应用还有距离；同样对于大规模电网存储也具有一定的挑战。3.金属/空气电池应用前景213.3美国劲亮Energizer开发锌/空气电池助听器用锌/空气电池棱柱型锌/空气电池，比其他同等大小的电池的运行时间长3倍3.金属/空气电池应用前景22ElectricFuel公司在联邦运输管理局等机构的的资助下于1998年着手研制的大容量二次锌/空气金属燃料电池用于交通运输右下图为首次使用锌/空气电池的交通运输汽车，2001年11月在拉斯维加斯试运行3.4ElectricFuel公司开发锌/空气电池该汽车包含18个模块，每个模块含有47个锌空气电池其比能量为200Wh·kg-1，比峰值功率为90W·kg-1（在80%的放电深度下）3.金属/空气电池应用前景23

北京长力联合能源技术有限公司与中航国际香港签署了“关于锌空气电池产业化项目”的投资协议书

2012年计划生产500辆电动大客车电池、500辆电动环卫车电池，加入北京市规模化发展电动汽车商业化运行的行列。2013年实现锌空气电池规模化生产，达到年产1000辆电动大客车电池和1000辆电动环卫车电池的规模。3.5北京长力联合能源技术有限公司开发公交车用锌/空气电池3.金属/空气电池应用前景

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2011年9月27日，东风扬子江汽车（武汉）有限公司客车工程研究院与湖北武汉泓元新能源科技有限公司共同开发的扬子江牌锌/空电池纯电动公交车样车正式完工下线。

据东风扬子江相关人士介绍：“锌空气电动公交车每更换一次锌粉可行驶约300公里，最高时速达80公里，所配载电池和同类锂电池相比，具有容量大、寿命长、重量轻、生产成