锌空气电池PPT课件
41页1、锌空气电池主要内容 锌空气电池概述电池工作原理氧电极催化剂氧电极性能及制造工艺 本章重点 氧电极 反应机理 氧电极的特点及存在的问题电池结构原理 工作原理 组成结构制造工艺原理 氧电极的制备 一 概述1 锌空气电池定义以空气作为阴极活性物质 金属作为阳极活性物质的电池统称为金属空气电池 研究的金属一般有镁 铝 锌 镉 铁等 其中碱性锌空气电池性能最好 并且成本低和环境友好 因而受到人们的广泛关注 被认为是大有希望的能量储存装置 锌空气电池是以空气中的氧作为正极活性物质 锌作为负极活性物质 氢氧化钾溶液作为电解液的高能化学电源 2 电池的分类及应用锌 空气电池包括 1 一次电池 2 二次电池 3 燃料电池 应用 碱性锌空气电池的实用化研究已取得了巨大的进展 适用于便携式电器的小型锌空气电池已进入市场 鉴于当前用电器具正在向小型化 小功耗方向发展 锌空气电池的应用范围必然会越来越广泛 有望替代目前的一次电池主导产品 即锌锰及碱锰电池 可再充锌空气电池是一个较为复杂的体系 经过世界各国研究者数十年的努力 至今已取得了很大的进展 但要将它应用于电动车辆 还需要在锌电极循环寿命 空气湿度的控制和
2、热管理等方面作进一步的研究 锌空气燃料电池已用于电动样车 3 锌空气电池特点锌空气电池直接使用空气中的氧气参与电极的化学反应 当电池对空气开放时 氧气扩散到电池里并且被用作正极反应的活性物质 空气是穿过正极到达与电解质相接触的正极活性表面 在该活性表面上正极催化剂促进氧气在碱性水溶液中反应 并且催化剂本身不会消耗或变化 因为一种活性物质在电池外面 所以电池内的体积大部分可用于放置另一种活性物质 Zn 故锌空气电池具有非常高的体积比能量 4 电池的优缺点对于许多应用来说 在原电池系列中锌空气电池具有非常高的体积比能量 此外还有放电电压平稳 贮存寿命长 安全和对环境无影响以及能量成本低等优点 但同时因为电池是对大气环境开放的 所以限制锌空气电池技术普遍应用的一个因素是环境的影响问题 即在受环境影响小的工作寿命和受环境影响大的最大功率输出能力之间的权衡 5 发展历史锌空气电池的发明已经有上百年的历史 1995年以色列电燃料 ElectricFuel 有限公司首次将锌空气电池用于EV上 使得空气电池进入了实用化阶段 美国DreisbackElectromotive公司以及德国 法国 瑞典 荷兰
3、 芬兰 西班牙和南非等多个国家也都在EV上积极地推广应用锌空气电池 以色列电燃料 ElectricFuel 有限公司开发的锌空气电池 装在载重1000kg 总重3500kg的电动邮政车上 实验结果为 比能量达到207Wh kg 最高车速可达120km h 由静止加速到80km h为12s 该车具有良好的动力性能 更换锌粒匣和灌满电解质的时间为2min 以色列设有每小时能处理10kg锌的再生处理厂 可以供给10 15辆电动邮政车更换锌粒匣服务 美国DreisbackElectromotive公司开发的锌空气电池 已在公共汽车和总重9t的货车上使用 公共汽车可连续行驶10h左右 货车最大续驶里程达113km 德国奔驰汽车公司的MB410型电动厢式车 标准总质量为4000kg 采用150kWh的锌空气电池 从法国的Chambery城越过阿尔卑斯山 连续爬坡150km 山的最高处2083m 公路全程244km 到达意大利的都灵 仅消耗了65 的电量 97 5kWh 该车从德国的不莱梅到波恩 最高车速达到120km h 一次充电后走完全程425km的路程 瑞典斯德哥尔摩市的电动货车 电动客车和电
4、动服务车辆上 采用的锌空气电池比能量为180Wh kg 比功率为100Wh L 续驶里程350 425km之间 该市的锌空气电池废料回收处理能力为250kg h 可为150辆EV提供再生的锌粒 中国江阴凡能环保仪器科技有限公司目前已研制出密封型锌空气电池 完全可以制造出用于上述用途的各种型号的电池 并已申请了专利 专利申请号 200310106308 6 电池的主要部分空气电极的密度已达0 1W cm2 并可靠地解决了密封问题 西安通锐公司研制成功液体循环式锌空气电池 目前 陕西省已将该项目列入开发计划 正在组织企业和研究单位实施 该公司目前在现有的微型电动轿车试验的基础上 利用现有的18kW电机 正在改装的轻型车 10座 上扩大试验 试验车已达到时速60 80km h 该公司还计划在10座轻型客车基础上 设计研制16 20座轻型客车 最高时速120km h 两年后拿出技术上成熟的整套动力系统和整车 二 工作原理1 电池组成及原理组成 Zn KOH 空气 负极为金属Zn 正极为空气中的氧 电解液为KOH原理 2 氧还原机理实际上空气正极的反应是复杂的 化学反应体系有一个速率限制反应 该
5、反应步骤影响整个体系的反应动力学和相应的性能 锌空气电池中 这个反应是氧气的还原过程 同时产生了过氧化物游离基团 O2H 过氧化物分解成为羟基和氧气的过程是整个反应的速率控制步骤 为了加速预氧化物的还原和整个反应的速率 在空气正极中使用了催化剂来提升过程2的反应速率 这些催化剂是典型的金属化合物或络合物 例如元素银 氧化钴 贵金属和它们的化合物及混合金属化合物 三 电池结构1 电池材料正极材料 空气扩散正极 通常用吸附性能很好的活性炭为载体 聚四氟乙烯为憎水剂 制成多孔正极 但是由于氧电极的电化学极化很大 假如不用催化剂 电池的工作电压会很低 不能满足使用要求 催化剂 目前用于空气电极的催化剂主要有 铂 银等贵金属 金属鳌合物和金属氧化物等 贵金属作为催化剂是很好的选择 但其成本高且工艺复杂 现普遍选择二氧化锰作为催化剂 近年来 在开发低成本催化剂 例如 钙钛矿 La1 xCaxCoO3 尖晶石 Co3O4和NiCo2O4 烧绿石 Pb2Ru2Pb1 xO1 y和Pb2Ru2O6 5 其它氧化物 Na0 8Pt3O4 和以钴为添加剂的热解大环化合物方面 取得了重大进展 以钙钛矿 尖晶石
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