金属空气电池是一类特殊的燃料电池,也是新一代绿色二次电池的代表之一。金属空气电池发挥了燃料电池的优点,以空气中的氧作为正极活性物质,金属锌或铝、锂等作为负极活性物质,空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属锌或铝反应而放出电能。金属空气电池具有成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点,因此,被称为是面向世纪的绿色能源。

一般电池的能量是储藏在它的两个电极材料内的,而金属空气电池则不同,只有阳极即金属电极储存能量,空气电极是转变能量的工具。与其它原电池系统比较,它具有一个长寿命的多孔阴极,其活性物质来自周围的空气。因此,金属空气电池既是储能工具,又是一种然烧电池。既可作为原电池用,又可以作为可充的电池用,只要不断提供然料金属,就能连续地输出电能。金属空气电池的原材料丰富、性能价格比高并且完全无污染,早就引起了各国研究者的重视,商业化的一次锌空气电池的应用已有多年一次锌空气电池主要应用于铁路信号、远距离通讯和航海等需要长时期、低速率放电的装置和辅助听力器、寻呼机等装置。

如图所示,金属空气电池主要由正极、负极、电解液三大部分组成。金属空气电池的工作原理如下。

金属空气电池现在使用的电解质大多数为中性或者碱性,电池放电过程中,正极反应都是氧气的还原,反应方程式为:

O2+2 H2O+4 e =4 OH-E=0.401 V

金属/ 空气电池的理论能量只能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++n e

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。

金属空气电池的优缺点如下表所示:

早在1975年前后,在加拿大Aluminum power等公司倡导下,金属空气电池技术就获得了很大的发展,特别是一次新空气电池得到了一些应用。当时,美国能源部(DOE)曾投资几百万美元支持劳伦斯-利佛莫国家实验室(LLNL)研制替代内燃机的金属空气电池。但是到了1984年前后,由于未能突破关键技术,金属空气电池技术发展很慢、水平很低,DOE再无兴趣继续投资。世界各地的研究工作也相继陷入低谷。最近几年,金属空气电池的研发又迎来了第二个春天。

现在金属空气电池中研究最多的就是四种:锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池。今天小编着重向您介绍镁空气电池的发展情况。

镁空气电池

镁空气电池是以金属镁或镁合金作为负极活性物质,以空气中的氧气作为正极活性物质,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而放出电能。

优势:

环保节能:镁及镁合金的比重轻,采用镁金属燃料电池不仅能量高,而且重量轻,非常适宜便携式电源、野外作业电源等使用。

使用安全:镁空气电源在用中性盐水作电解液中反应,反应物为金属镁合金、水和氧气,产物绝大部分为氢氧化镁沉淀物,经过不反应物和产物都无毒无污染。回收后的氢氧化镁经过烧还原,可重新制成镁锭循环利用。

应用领域广:中功率的照明、通讯设备、小家电等耗能产品、固定式户外照明、车载或小型船舶携带的紧急备用电源等,有效降低用电成本,解决缺电区域用电问题和紧急备用电源稳定电流。

劣势:

(1)容量损失大,(2)负极利用率低,(3)电压损耗大。其中,容量损失大和负极利用率低主要是由于镁的自腐蚀引起的,而镁的负差效应将进一步加剧镁的自腐蚀。

镁空气电池的发展史

早在20世纪60年代,美国GE公司就对中性盐镁燃料电池进行了研究。随后美国海军海底战事中心(Naval Undersea Warfare Center)与麻省理工大学(University of Massa-chusetts Dartmouth)以及BAE Systems公司共同研制成功了用于自主式潜航器的镁-过氧化氢燃料电池系统。该电池采用海水作电解质,镁合金作阳极材料,液态过氧化氢作阴极氧化剂。该电池提供了一个成本较低并且更为安全的高能动力,是低速率、长寿命的自主式潜航器的理想驱动电源。

20世纪90年代初,Westinghouse公司研制出了海洋应用的圆柱型海水电解质镁/空气燃料电池。1996年,挪威与意大利共同开发了镁燃料电池,并应用于180m深的海底油井或气井探测的海洋水下自动控制系统。该海水电池采用商业镁合金作阳极,海水作电解质,海水中溶解的氧为氧化剂,阴极用碳纤维制造。这个电池系统能量达到650kWh,系统设计寿命为15年。加拿大Greenvolt Power公司研制的100W和300W级镁/盐水/空气燃料电池(MASWFC),能量密度是铅酸电池的20倍以上,可为电视、照明灯、便携电脑、手机及GPS等设备供电。加拿大Magpower Systems公司研制的盐水电解质镁/空气燃料电池,能连续提供300W功率,成功应用于偏远地区水净化系统水泵的供电。

研发及应用进展

国外:韩国研发的一辆搭载完整镁空气电池的电动汽车能成功行驶800公里,是当前锂电池动力汽车平均续航里程的4倍;日本多家机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等,正积极推进镁空气电池的大容量化研究;日本Agua Power公司已经成功开发制造和商业化镁空气电池,并已注册专利十多项。

国内:2015年,宁波材料所动力锂电池工程实验室成功研制出1000Wh镁空气电池样机,该镁空气电池的重量为2.3 kg,能量密度可达430 Wh/kg,最大输出功率可达80W;2016年7月,南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授、美国休斯敦大学姚彦教授联合研究团队,成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用于镁空气电池,大幅降低了成本,可在中性电解液中稳定工作,其优越的催化活性极大提高了镁空气电池的效率。

金属空气电池的应用前景

中小型移动电源

金属空气电池可作为电动汽车、高尔车、叉车、电动自行车、电动摩托车、剪草机等的电源进入中小型移动电源市场。其中,电动汽车的发展已成为一种必然趋势,这是因为电动汽车不仅能以电为动力,取代汽油作为燃料的地位,缓解了世界石油枯竭的矛盾,而且还是零排放、零污染的绿色交通工具。金属空气电池由于其优良的性能价格比已成为各国电动汽车用电池的开发热点。在国内, 电动车用金属空气电池的研究也取得了很大的进展。

小型便携式电子装置用电源

加拿大的铝能源公司(Aluminum power Inc)已与多伦多大学、Eontech 公司组成联合集团(TrimolGroup)倾全力开发小型便携式金属空气电池,试图打入蜂窝手机、膝上电脑、数码像机、碟片机、游戏机等小型电器市场。

水下军用电源

挪威国防研究所, 美国海军水下武器研究中心,加拿大的铝能源公司从80年代起就着手探索将金属空气电池用于UUV(无缆水下艇)、DSRV(深海救援艇)以及AIP潜艇的可能性。与燃料电池相比, 金属空气电池还有独到的优点,它无任何航迹,金属电极体积小、更安全、易携带,只需在码头不必进船坞便可快速更换电极。如果以海水为电解液还可在耐压壳外工作。

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