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新能源之我见 ——金属空气电池
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摘要：0 引言 金属空气电池(Metal Air Battery)是一种特殊的新型燃料电池,也是一种可循环使用的绿色环保电池。它具有比能量高、稳定性强、性价比高、无毒害、无污染等特点。它的金属材料来
0 引言
金属空气电池(Metal Air Battery)是一种特殊的新型燃料电池,也是一种可循环使用的绿色环保电池。它具有比能量高、稳定性强、性价比高、无毒害、无污染等特点。它的金属材料来源广泛、储量丰富、成本低廉,并且可再生利用,是传统燃料电池的理想替代产品,具有广泛的发展空间和应用前景。
金属空气电池作为一种高性价比的绿色新型能源,可选用的金属原材料比较丰富,目前已取得研究进展的,主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池、钙空气电池、铁空气电池等。这几类金属空气电池,有的已进入规模化生产,有的已具备量产条件,有的还只是停留在实验室研究阶段。
通过世界各国科学家们的努力,金属空气电池的应用研究已取得了巨大的发展。金属空气电池可作为动力电池能源,为新能源汽车、大型无人机、智能机器人等提供动力来源;在为水下机器人提供动力来源的同时,其电池氧化反应后又可为科考人员提供氧气来源。金属空气电池作为电力储备能源,可为无法通电的偏远山区架设通讯发射基站,提供稳定、持续的电力保障;应用在抗震救灾、应急救援等领域,可为照明设备、通讯设备、救灾设备、电子仪器等提供应急电力供应……
1 金属空气电池的发展历程
在国外,关于金属空气电池的研究最早可追溯到19世纪50年代。1850年,Hulot设计了一种以锌汞作负极、铝作正极、稀硫酸作电解液的初级电池。从那时起,铝就被用做了电池的电极使用。1857年,在Buff电池的设计中,铝首次被作为电池的负极使用。1893年,C·H·Brown为汞化铝-锌合金作负极、石墨碳作正极的电池装置申请了专利[1]。
20世纪50年代,S·Ruben取得了突破性进展,将铝作为负极材料应用在Laclanche电池中,此项研究获得了发明专利。60年代,Zaromb和Trevethan等人提出了铝空气电池的概念,发现了氧化锌和某种有机化合物的存在,可以明显的减缓汞化铝在电解液中的腐蚀速度。70年代以后,以熔盐和非水电解质的铝二次电池的研究,获得了巨大的发展。之后,外国的科学家们陆续发明了以电极电位较负的金属(如铝、锌、镁、锂、钙、铁等)作为负极,以空气中的氧(或纯氧)作为正极的金属空气电池。
相对于国外,我国金属空气电池方面的研究起步较晚,研究机构也不多。哈尔滨工业大学在20世纪80年代,开始从事铝空气电池方面的研究,1983年完成了阳极四元铝合金的研究,90年代完成了3 W中性铝空气电池的样品研制。天津大学在90年代初,成功研制出船用大功率中性电解液铝空气电池组。另外,武汉大学、浙江大学、上海交大等高校,以及北京有色金属研究总院,也在金属空气电池的研究方面,做出了卓有成效的探索[2]。
2 金属空气电池的结构原理及特点
金属空气电池是以金属为燃料,与氧气在电解液中发生氧化还原反应,从而产生电能的一种特殊燃料电池(如图1)。金属空气电池以活泼金属(如铝、锌、镁、锂、钙、铁等)作负极,以空气中的氧(或纯氧)作正极,以碱性溶液作电解液,发生的化学反应与普通化学电池相同。
图1 金属空气电池的结构原理
金属空气电池的主要特点包括:
(1)比能量高。金属空气电池是一种新型的高比能量电池,理论比能量可达到2290W·h/kg,实际研发的产品比能量已达到了300～400W·h/kg,远高于目前其它各类电池的比能量(如表1)。(2)比功率中等。空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位,交换的电流密度小,电池放电时极化较大,导致了电池的比功率只能达到50～200W/kg。(3)性能稳定。电解液采用了碱性溶液,可以在很高的电流密度下工作,如果再采用纯氧代替空气,放电性能还可以大幅度提高,从而提供持续稳定的电力来源。(4)性价比高。金属电极采用的负极材料均为储量巨大的非贵重金属,所以价格便宜,性价比较高。(5)使用寿命长。金属电极可以不断更换,所以空气电极的使用寿命决定了金属空气电池的使用寿命。(6)绿色环保。金属空气电池的电化反应只消耗金属电极、氧气和电解液,反应生成的物质可二次回收利用,无毒害污染。(7)适应性强。金属空气电池的结构和使用的金属电极材料,可根据使用环境和要求作出相应的变动,具有较强的适应性[3]。
表1 六种金属空气电池的比能量值电池类型电池电压（V）比能量（W·h/kg）理论电压实际电压正极材料电池铝空气电池 2.70 1.2～1.6 8.1 2.8镁空气电池 3.09 1.2～1.4 8.0 2.8锌空气电池 1.65 1.2～1.4 1.3 0.9锂空气电池 3.45 2.4 13.3 3.9钙空气电池 3.42 2.0 4.6 2.5铁空气电池 1.28 1.0 1.2 0.8
文章来源：《绿色环保建材》 网址: http://www.lshbjczz.cn/qikandaodu/2020/0917/524.html