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??金屬空氣電池

金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池，也是新一代綠色二次電池的代表之一。金屬空氣電池發(fā)揮了燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，以空氣中的氧作為正極活性物質(zhì)，金屬鋅或鋁、鋰等作為負(fù)極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣可源源不斷地通過氣體擴(kuò)散電極到達(dá)電化學(xué)反應(yīng)界面與金屬鋅或鋁反應(yīng)而放出電能。金屬空氣電池具有成本低、無毒、無污染、比功率高、比能量高等優(yōu)點(diǎn)，因此,被稱為是面向世紀(jì)的綠色能源。

一般電池的能量是儲藏在它的兩個(gè)電極材料內(nèi)的，而金屬空氣電池則不同，只有陽極即金屬電極儲存能量，空氣電極是轉(zhuǎn)變能量的工具。與其它原電池系統(tǒng)比較，它具有一個(gè)長壽命的多孔陰極，其活性物質(zhì)來自周圍的空氣。因此，金屬空氣電池既是儲能工具，又是一種然燒電池。既可作為原電池用，又可以作為可充的電池用，只要不斷提供然料金屬，就能連續(xù)地輸出電能。金屬空氣電池的原材料豐富、性能價(jià)格比高并且完全無污染，早就引起了各國研究者的重視，商業(yè)化的一次鋅空氣電池的應(yīng)用已有多年一次鋅空氣電池主要應(yīng)用于鐵路信號、遠(yuǎn)距離通訊和航海等需要長時(shí)期、低速率放電的裝置和輔助聽力器、尋呼機(jī)等裝置。

如圖所示，金屬空氣電池主要由正極、負(fù)極、電解液三大部分組成。金屬空氣電池的工作原理如下。

金屬空氣電池現(xiàn)在使用的電解質(zhì)大多數(shù)為中性或者堿性，電池放電過程中，正極反應(yīng)都是氧氣的還原，反應(yīng)方程式為：

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

金屬/ 空氣電池的理論能量只能以負(fù)極金屬的能量來衡量，負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)可以寫成：

M→Mn++n e

式中：M 代表的是電池中所用的金屬，n 值的大小取決于電池中金屬被氧化的價(jià)態(tài)。

金屬空氣電池的優(yōu)缺點(diǎn)如下表所示：

早在1975年前后，在加拿大Aluminum power等公司倡導(dǎo)下，金屬空氣電池技術(shù)就獲得了很大的發(fā)展，特別是一次新空氣電池得到了一些應(yīng)用。當(dāng)時(shí)，美國能源部（DOE）曾投資幾百萬美元支持勞倫斯-利佛莫國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）研制替代內(nèi)燃機(jī)的金屬空氣電池。但是到了1984年前后，由于未能突破關(guān)鍵技術(shù)，金屬空氣電池技術(shù)發(fā)展很慢、水平很低，DOE再無興趣繼續(xù)投資。世界各地的研究工作也相繼陷入低谷。最近幾年，金屬空氣電池的研發(fā)又迎來了第二個(gè)春天。

現(xiàn)在金屬空氣電池中研究最多的就是四種：鋅空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池。今天小編著重向您介紹鎂空氣電池的發(fā)展情況。

鎂空氣電池

鎂空氣電池是以金屬鎂或鎂合金作為負(fù)極活性物質(zhì)，以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，氧氣通過氣體擴(kuò)散電極到達(dá)氣- 液- 固三相界面與鎂負(fù)極反應(yīng)而放出電能。

優(yōu)勢：

環(huán)保節(jié)能：鎂及鎂合金的比重輕，采用鎂金屬燃料電池不僅能量高，而且重量輕，非常適宜便攜式電源、野外作業(yè)電源等使用。

使用安全：鎂空氣電源在用中性鹽水作電解液中反應(yīng)，反應(yīng)物為金屬鎂合金、水和氧氣，產(chǎn)物絕大部分為氫氧化鎂沉淀物，經(jīng)過不反應(yīng)物和產(chǎn)物都無毒無污染。回收后的氫氧化鎂經(jīng)過燒還原，可重新制成鎂錠循環(huán)利用。

應(yīng)用領(lǐng)域廣：中功率的照明、通訊設(shè)備、小家電等耗能產(chǎn)品、固定式戶外照明、車載或小型船舶攜帶的緊急備用電源等，有效降低用電成本，解決缺電區(qū)域用電問題和緊急備用電源穩(wěn)定電流。

劣勢：

(1)容量損失大，(2)負(fù)極利用率低，(3)電壓損耗大。其中，容量損失大和負(fù)極利用率低主要是由于鎂的自腐蝕引起的，而鎂的負(fù)差效應(yīng)將進(jìn)一步加劇鎂的自腐蝕。

鎂空氣電池的發(fā)展史

早在20世紀(jì)60年代，美國GE公司就對中性鹽鎂燃料電池進(jìn)行了研究。隨后美國海軍海底戰(zhàn)事中心(Naval Undersea Warfare Center)與麻省理工大學(xué)(University of Massa-chusetts Dartmouth)以及BAE Systems公司共同研制成功了用于自主式潛航器的鎂-過氧化氫燃料電池系統(tǒng)。該電池采用海水作電解質(zhì)，鎂合金作陽極材料，液態(tài)過氧化氫作陰極氧化劑。該電池提供了一個(gè)成本較低并且更為安全的高能動(dòng)力，是低速率、長壽命的自主式潛航器的理想驅(qū)動(dòng)電源。

20世紀(jì)90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋應(yīng)用的圓柱型海水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池。1996年，挪威與意大利共同開發(fā)了鎂燃料電池，并應(yīng)用于180m深的海底油井或氣井探測的海洋水下自動(dòng)控制系統(tǒng)。該海水電池采用商業(yè)鎂合金作陽極，海水作電解質(zhì)，海水中溶解的氧為氧化劑，陰極用碳纖維制造。這個(gè)電池系統(tǒng)能量達(dá)到650kWh，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15年。加拿大Greenvolt Power公司研制的100W和300W級鎂/鹽水/空氣燃料電池(MASWFC)，能量密度是鉛酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機(jī)及GPS等設(shè)備供電。加拿大Magpower Systems公司研制的鹽水電解質(zhì)鎂/空氣燃料電池，能連續(xù)提供300W功率，成功應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)水凈化系統(tǒng)水泵的供電。

研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

國外：韓國研發(fā)的一輛搭載完整鎂空氣電池的電動(dòng)汽車能成功行駛800公里，是當(dāng)前鋰電池動(dòng)力汽車平均續(xù)航里程的4倍；日本多家機(jī)構(gòu)包括古河電池、尼康、日產(chǎn)汽車、日本東北大學(xué)、宮城縣日向市等，正積極推進(jìn)鎂空氣電池的大容量化研究；日本Agua Power公司已經(jīng)成功開發(fā)制造和商業(yè)化鎂空氣電池，并已注冊專利十多項(xiàng)。

國內(nèi)：2015年，寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室成功研制出1000Wh鎂空氣電池樣機(jī)，該鎂空氣電池的重量為2.3 kg，能量密度可達(dá)430 Wh/kg，最大輸出功率可達(dá)80W；2016年7月，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院王衛(wèi)超教授、美國休斯敦大學(xué)姚彥教授聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功將錳基莫來石材料作為催化劑應(yīng)用于鎂空氣電池，大幅降低了成本，可在中性電解液中穩(wěn)定工作，其優(yōu)越的催化活性極大提高了鎂空氣電池的效率。

金屬空氣電池的應(yīng)用前景

中小型移動(dòng)電源

金屬空氣電池可作為電動(dòng)汽車、高爾車、叉車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、剪草機(jī)等的電源進(jìn)入中小型移動(dòng)電源市場。其中，電動(dòng)汽車的發(fā)展已成為一種必然趨勢，這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車不僅能以電為動(dòng)力，取代汽油作為燃料的地位，緩解了世界石油枯竭的矛盾，而且還是零排放、零污染的綠色交通工具。金屬空氣電池由于其優(yōu)良的性能價(jià)格比已成為各國電動(dòng)汽車用電池的開發(fā)熱點(diǎn)。在國內(nèi), 電動(dòng)車用金屬空氣電池的研究也取得了很大的進(jìn)展。

小型便攜式電子裝置用電源

加拿大的鋁能源公司(Aluminum power Inc)已與多倫多大學(xué)、Eontech 公司組成聯(lián)合集團(tuán)(TrimolGroup)傾全力開發(fā)小型便攜式金屬空氣電池，試圖打入蜂窩手機(jī)、膝上電腦、數(shù)碼像機(jī)、碟片機(jī)、游戲機(jī)等小型電器市場。

水下軍用電源

挪威國防研究所, 美國海軍水下武器研究中心，加拿大的鋁能源公司從80年代起就著手探索將金屬空氣電池用于UUV(無纜水下艇)、DSRV(深海救援艇)以及AIP潛艇的可能性。與燃料電池相比， 金屬空氣電池還有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，它無任何航跡，金屬電極體積小、更安全、易攜帶，只需在碼頭不必進(jìn)船塢便可快速更換電極。如果以海水為電解液還可在耐壓殼外工作。????