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【福利】详解铝空气电池研究现状及未来走向2020-09-13 23:21

金属空气电池阐述锂离子电池享有较高的比能量,是目前研究较成熟期且早已大规模商用的二次电池,但是近几年来,面临移动电子设备和电动汽车等领域的极大发展,锂离子电池已难以符合其大容量的市场需求,尤其是对能源依赖性很强的动力电池体系。因此,享有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生,比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。由于这类电池的负极活性物质主要源于空气中的氧气,理论上的负极活性物质的量是无限的,所以电池理论容量主要各不相同负极金属的量,这类电池享有更大的比容量。其中,铝-空气燃料电池的理论比能量平均8100Wh/kg,具备成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。作为一种类似的燃料电池,铝-空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用于方面具备极大的商业潜力。铝空气电池结构和原理图1是铝空气电池的结构原理图从现有的研究成果和电池特性来分析,铝空气电池具备如下特点:(1)比能量低。铝空气电池是一种新型高比能电池,理论比能量可超过8100Wh/kg目前研发的产品早已能超过300-400Wh/kg,远高于当今各类电池的比能量。(2)比功率中等。

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由于空气电极的工作电位靠近其热力学均衡电位,其互相交换电流密度较小,电池静电时极化相当大,造成电池的比功率不能超过50-200W/kg。(3)使用寿命宽。铝电极可以大大替换,因此铝空气电池寿命的长短各不相同空气电极的工作寿命。(4)有毒、无危害气体产生。电池电化学反应消耗铝、氧气和水,分解Al2O3·nH2O,可用作潮湿吸附剂和催化剂载体、研磨打磨磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。(5)适应性强劲。电池结构和用于的原材料可根据简单环境和拒绝而变动,具备很强的适应性。(6)电池负极原料铝廉价简便。比起于其他的金属,金属铝的价格比较低,金属阳极的生产工艺比较简单。

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铝阳极(负极)铝(Al)是一种理想的电极材料,金属铝的理论能量密度为8.2W·h/g,在少见金属中,次于锂的13.3W·h/g,电极电位较胜,是除金属锂以外质量比能量最低的轻金属电池材料。铝空气电池的质量比能量实际可以超过450Wh/kg,比功率超过50~200W/kg。具备理论容量低、消耗率较低、质量重、电位胜、资源非常丰富及更容易加工等优点,获得普遍研究。但是由于铝是一种很开朗的两性金属,目前铝阳极的发展还受到以下几个问题的影响。(1)铝表面有一层腐蚀膜,影响了铝的电化学活性。(2)铝是一种两性金属元素,这就要求了它在强劲碱性环境下易析氢生锈,影响电极电位,产物沉着在电解液中影响整个电化学反应的展开。(3)空气电池独有的半对外开放的体系,使空气电极更容易受到外界湿度的影响,再次发生铝阳极的“水淹”或“干枯”,甚至“爬到碱”或“漏液”,现象从而对整个空气电池的结构导致毁坏。

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为了解决问题上述问题,国内外学者从以下三个方面展开了研究:1、铝阳极合金化工业级铝(99.0%)所含较多的杂质,如铁(0.5%)、硅、铜、锰、镁和锌等,不会使互为界面处铝的析氢生锈激化,尤其是铁会与铝构成局部原电池,造成电化学生锈成倍增加。须向铝中重新加入既能提升化学活性、又可提升耐腐蚀性的合金成分。铝合金合金化必须重新加入的元素所必须符合的条件有:①合金元素的熔点要高于金属Al;②在Al中固态饱和度较高;③电化学活性低于Al;④在电解质中溶解度较高;⑤具备较高的析氢过电位。此外,将阳极金属加工成超细晶材料,可进一步提高阳极效率。2、电解液中重新加入缓释剂由于阳极合金化有一定的成本问题所以人们常常不会自由选择在电解液中重新加入一些缓释剂来确保铝空气电池的性能。一些羧酸类、胺类、氨基酸类缓释剂及其对铝生锈的诱导效率如表格1右图:研究者们用于天然物质不作金属铝生锈的抑制剂,实验证明有机胺类、吡咯等对铝的生锈有显著的抑制作用。通过向强碱电解质中加到有机物、水溶性化合物来研究铝金属阳极的电化学不道德减少铝的生锈速度,进而提升铝空气电池的性能。3、热处理工艺热处理通过转变铝合金中微量元素的产于和合金表面的微观结构,来影响合金性能,科工艺学的研究范畴。通过合适的向量实验可寻找最佳的热处理工艺。电解液铝空气电池的电解液多为中性盐溶液或强劲碱性溶液。当用于中性电解液时,阳极自生锈小,但铝阳极表面腐蚀相当严重,使工作电压减少,电池的功率和电流无法提升,还不会造成电压迟缓,产物氢氧化铝胶体也不会下陷、堵塞电解液,因此这类电池不能作为小功率的电源输入装置。当用于强劲碱性电解液时,铝的腐蚀增加,且碱液可招揽一定量的反应产物氢氧化铝,电池的性能比较较好,但铝是两性金属,在强劲碱性环境中不会再次发生反感的析氢生锈,释放出大量氢气,减少电池的输出功率和阳极利用率,在大电流密度下更加相当严重。如果是全然的解决问题上述问题可以自由选择定期替换电解液和向电解液中重新加入能活化铝阳极表面和抑铝析氢生锈的添加剂来解决问题裁决问题。