锌空气电池主要有以下几种类型。
①中性锌空气电池。采用氯化铵与氯化锌为电解质,炭包内为活性炭,并在盖上或周围留有通气孔,在使用时打开。
②低功率大荷电量锌空气湿电池。将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中,如图47所示。
③高功率锌空气电池。一般是将薄片状粘接式活性炭电极装在电池外壁上,将锌粉电极装在电池中间,两者之间用吸液的隔膜隔离,上口装有注液塞,使用时注入氢氧化钾溶液。
低功率大荷电量锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型,活性炭电极能反复使用,因而电池在耗尽电荷量以后,只要更换锌电极和碱液,就可重复使用。
(2)铝空气电池 铝空气电池是以铝合金为负极、空气电极为正极、海水或食盐水为电解液构成的一种空气燃料电池。由于铝既溶于酸又溶于碱,电阻率低,电化学当量高(2. 98A·h/g),电极电位为1. 66V,成为发展金属空气电池的首选材料。铝合金在电池放电时被不断消耗并生成A1(OH)3;正极是多孔性氧电极,跟氢氧燃料电池的氧电极相同;电池放电时,从外界进入电极的氧(空气)发生电化学反应,生成OH-;电解液可分为两种:一种为中性溶液(NaC1,NH4C1水溶液或海水);另一种是碱性溶液。氧电极主要由防水透气层、导电网、催化层三部分组成。铝空气电池目前所需要的关键技术有以下4点。
①电解液中铝氧化膜的生成会导致铝电极电位升高,而氧化膜的破坏又会导致大量析氢,难以使溶解停止,使电池失效。
②如何选用其他廉价材料来制造适合的电极形状,以减小铝电极的腐蚀率,增大电池功率和放电密度。
③电解液的活性控制及循环利用。
④选用合适的电极催化剂来提高电极反应的效率。电极材料是以A1-Ca、A1-In、A1-Ca-In合金为基质,再辅以铅、铋、锡、锌、镁、镉、锰等元素形成的负极材料系列。
适合的电池形状可以减小铝电极的腐蚀率,增大电池功率和放电密度,研究的电极形状已经有多种,如平面形、楔形、圆柱形等。当电解液是盐溶液时,电池放电产物会成凝胶状,增大电池电阻,降低电池效率。目前使用的电解液有碱性溶液、中性溶液及常温熔盐溶液等。氧电极的工作电流密度已达650mA/cm2,其寿命也由过去的20次提高到3000次以上,并且提高了输出功率。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(尖晶石型、烧绿石型、钙钛矿型)、过渡金属碳基化合物和有机催化剂等方面。MnO2催化剂与上述催化剂相比,最大的优势在于价格低廉,具有非常广阔的应用前景。
(3)锂空气电池 锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度,因为其阴极(以多孔碳为主)很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上,由于氧气作为阴极反应物不受限,该电池的容量仅取决于锂电极,其比能为5. 21kW/g(包括氧气质量)或11. 14kW·h/kg(不包括氧气)。相对于其他金属空气电池,锂空气电池具有更高的比能,因此,它非常具有吸引力。不过,锂空气电池仍在开发中,市场上还买不到。
锂在金属电极中具有最高的理论电压(3.35V)和电化学当量(3.86A·h/g),锂金属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。由于锂金属电池的正极不需要化学加工和电池不需要进行化学工艺问题,其成本要比锂离子电池低30%左右。但锂空气电池采用金属锂作为电极也存在不少问题,锂性质活泼,极易发生腐蚀和自放电现象,影响电池的寿命;开发有效的阴极材料及相关的电极催化剂,提高氧的活性;锂的价格相对较贵,限制电池的使用范围。锂空气电池可以采用合金的方法来减小锂负极的自放电现象。
如图48所示,锂空气电池放电时,负极的金属锂以锂离子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;正极通过导线供应电子,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。锂空气电池充电时,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质到达负极表面,在负极表面发生反应生成金属锂;正极反应生成氧,产生的电子供应给导线。
锂空气电池作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物,阻隔了电解液与空气的接触,导致停止放电等问题。
负极(金属锂)采用有机电解液,正极方面则使用水性电解液,两极由固体电解质隔开,以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子,因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性,不产生固体物质。实验证明,该电池可连续放电50000m A·h/g(空气极的单位质量)。锂离子电池目前已经开始在
电动汽车上应用,为了实现长距离行驶,作为
蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待,但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶,要实现长距离行驶,必须在汽车上配备大量的电池,因此存在车辆价格大幅上升的问题。锂空气电池技术极有望用于汽车电池,如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液,用卡盒等方式补充负极的金属锂,汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间;可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂,锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。
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