空气电池分类及特点

2013-03-31 20:53:59来源: 互联网

      锌空气电池

  锌空气电池(zincairbattery),用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和P表示,其后再用数字表示电池的型号。

  锌空气电池都充电过程进行得十分缓慢,为解决这一问题,通常锌空气电池的负极锌板或锌粒,被氧化成氧化锌而失效后,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电到完全更新。放电时正、负极和总反应的化学方程式为:

  负极:Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ

  正极:0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ

  总反应:2Zn+O2=2ZnO

  现在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包,开发了锌空气干电池的技术。

  锌空气电池主要有4种类型:

  ①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同,也采用氯化铵与氯化锌为电解质,只是在炭包中以活性炭代替了二氧化锰,并在盖上或周围留有通气孔,在使用时打开;

  ②纽扣式锌空气电池:结构与锌银扣式电池基本相同,但在正极外壳上留有小孔,使用时可打开;

  ③低功率大荷电量的锌空气湿电池: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;

  ④高功率锌空气电池:一般是将薄片状粘结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。这种电池便于携带。低功率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。

  锂空气电池

  大容量锂-空气电池并非新概念,至今都未普及原因是它存在致命缺陷,日本的研究院克服了这个困难,但要想实现商用,可能还需要10年。

  减碳,对于人类福祉来说,绝对不是离谱的要求,但对于全球汽车业来说,却是一件困难的事情。

  众所周知,锂离子电池广泛用于手机和笔记本电脑等,目前也已经是下一代充电式混合动力车和电动车的理想之选。它比其它汽车电池的密度更高、电量更充足,但也更贵,受制于电池容量,充电后的行驶距离仍不够远。即将于2010年上市的雪佛兰Volt混合动力汽车如果仅仅使用电池,只能行驶40公里。

  尽管仍有改进的空间,但锂离子电池的潜力依然有限。普遍认为,要实现电动汽车的普及,能源密度需达到目前的约6~7倍。于是,理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。虽然仍使用有机溶媒,但它却以全新的构成极大提高电池的能量密度。

      锂-空气电池并非新概念。由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质,理论上正极的容量密度是无限的,可加大容量。另外,如果负极使用金属锂,理论容量会比锂离子充电电池提高一位数。

  但是,为什么锂-空气电池至今都未普及?原因是它存在致命缺陷,即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积,使电解液与空气的接触被阻断,从而导致放电停止。

  2009年2月,日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长周豪慎和日本学术振兴会(JSPS)外籍特别研究员王永刚共同开发出了新构造的大容量锂空气电池。

  他们通过将电解液分成两种来解决上述问题。在负极(金属锂)一侧使用有机电解液,在正极(空气)一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的固体电解质膜,将两者隔开。这样便可防止电解液混合,并促进电池发生反应。

  负极用电解液组合使用的是含有锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒,但却限定了使用方法。正极用水性电解液使用碱性水溶性凝胶,与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。

  在锂-空气电池中,由于放电反应生成的并非是固体的Li2O,而是容易溶解在水性电解液中的LiOH(氢氧化锂)。氧化锂在空气电极堆积后,不会导致工作停止。水及氮等也不会穿过固体电解质的隔壁,因此不存在与负极的锂金属发生反应的危险。而且,在充电时,如果配置充电专用的正极,还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。

  实验证明,以0.1A/g的放电率进行放电时,放电容量约为9000mAh/g,而以前的锂-空气电池的放电容量仅为700~3000mAh/g,可以说实现了容量的大幅增加。

  另外,如果使用水溶液取代水溶性凝胶,便可在空气中以0.1A/g的放电率连续放电20天,其放电容量约为5万mAh/g(空气极的单位质量),比原来高一位数。由于金属锂电池的容量原本就比锂离子电池高一位数,因此该数值共比锂离子充电电池高两位数。

  现在,由于水溶液的性能较高,而在易用性上凝胶更为出色,科学家们今后需要考虑决定究竟对这两者中的哪一个进行开发。

  了解到,这种技术还可考虑与单纯的充电电池不同的使用方法。如果不对电池进行充电,而是通过汽车底座更换正极的水性电解液,以卡盒等方式补给负极的金属锂,汽车便可实现无需充电等待时间,立即行驶。

  而且,通过回收用过的水性电解液,以电气方式重新生成金属锂,还可继续作为电池负极燃料循环使用,避免产生其他污染。锂-空气电池可以说是以金属锂为燃料的新型燃料电池。

  科学家认为,锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍,可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术,但如果没有重大突破,要想实现商用可能还需要10年。

      铝空气电池

  铝空气电池,顾名思义就是以铝与空气作为电池材料的一种新型电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源,是一款对环境十分友好的电池。电池的结构以及使用的原材料可根据不同实用环境和要求而变动,具有很大的适应性,既能用于陆地也能用于深海,既可做动力电池,又能作长寿命高比能的信号电池,是一款十分强大的电池,有很广阔的应用前景。

  铝空气电池的化学反应与锌空气电池类似,铝空气电池以高纯度铝Al(含铝99.99%)为正极、氧为负极,以氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧,在电池放电时产生化学反应,铝和氧作用转化为氧化铝。铝空气电池的进展十分迅速,它在EV上的应用已取得良好效果,是一种很有发展前途的空气电池。

  铝空气电池的特点

  1、比能量大

  铝空气电池的实际比能量只达到350~400Wh/kg,这数值还不及它理论值的5%。但就是这5%不到的比能量也是铅酸电池的7~8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。

  若采用铝空气电池的电动车,续驶里程明显地提高。国外有关资料介绍,美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上,有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。

  2、质量轻

  我国开发和研制的牵引用动力型铅酸蓄电池的总能量为13.5kWh,总质量为375kg。而同样能量的铝空气电池总质量仅45kg,为铅酸蓄电池质量的12%。由于电池质量大大减轻,车辆的整备质量也降低,可以提高车辆的装载能量或延长续驶里程。

  3、铝没有毒性和危险性

  铝对人体不会造成伤害,可以回收循环使用,不污染环境。铝的原材料丰富,已具有大规模的铝冶炼厂,生产成本较低。铝回收再生方便,回收再生成本也较低。而且可以采用更换铝电极的方法,来解决铝空气电池充电较慢的问题。

  正如所有的事物有其优秀的一面也有不足的一方一样,铝空气电池也有不足之处。

  虽然它含有高的比能量,但比功率较低,充电和放电速度比较缓慢,电压滞后,自放电率较大,需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0331/article_6939.html
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