铝-空气电池阳极材料及其电解液的研究进展

金属-空气电池自进入人们的视野以来,由于其高能量密度和容量、平稳的放电特性、对负载和温度的依赖性低和较低的制造成本等特点,受到越来越多的关注。其中,锂-空气电池因具有极大的应用潜力而引起了学者们极大的研究兴趣;然而,锂-空气电池对周围环境十分敏感,容易造成爆炸,存在安全隐患;此外,锂离子电池的大规模生产和应用造成了原材料锂价格的大幅上涨。为了实现电池的商业化应用,选用来源广泛、经济实惠的电极材料成为必不可少的条件。铝是地壳中含量最多的金属元素,具有矿藏丰富、质量轻、无污染、安全、价格低廉和回收利用率高等优点,是一种潜在的储能材料。铝的理论质量比容量为2 980 mAh·g~(-1),仅次于锂(3 860 mAh·g~(-1)),其体积比容量(8.04 Ah·cm-3)约是锂的四倍(2.05 Ah·cm-3),被认为是金属-空气电池最有吸引力的候选阳极材料,也是化石燃料最有吸引力的替代者之一。然而,铝在空气和水溶液中表面上自发形成的钝化膜会显著降低铝阳极材料的活性;在碱性溶液中,铝-空气电池存在的主要问题是铝阳极材料自腐蚀导致氢析出速率较高,库伦效率降低和含水电解液的流动性可能导致的多孔空气阴极中毛细管的渗透及泄漏。因此,近年来,学者们不断开展深入研究,探索出以下几种改善铝阳极的方法:通过向铝中添加合金元素Ga、In、Sn、Zn、Mg、Bi、Mn等来改变铝阳极材料的活性和减少析氢反应;对电解液添加剂进行研究,发现部分植物提取液作为电解液添加剂可以保持铝阳极活性,降低析氢腐蚀;开发离子液体、固态和凝胶电解液,一方面可以减小铝阳极自腐蚀,提高阳极利用率,另一方面可减小铝-空气电池体积,增加电池的灵活性。目前研究获得性能较好的碱性铝-空气电池的阳极材料有Al-Ga/In-Mg系列、Al-Ga/In-Mg-Sn系列、Al-Ga-In-Bi-Pb系列等合金,其中部分铝阳极合金已经实现了实际应用。近几年研究工作获得了羽扇豆提取物、茄属植物叶的提取物等绿色电解液添加剂,其可以保持铝阳极的电化学活性,降低腐蚀率。此外,研究发现,室温下低聚氟化氢离子液体作为电解液可以活化铝阳极,降低其腐蚀速率,一些便携式铝-空气电池采用固态或凝胶电解液已经在护理医疗设备、商用LED手表方面应用。本文主要从铝阳极材料、电解质和电解质添加剂三方面论述了其对铝-空气电池性能的影响,并简单阐述了铝-空气电池放电的基本原理、面临的挑战和最新研究进展及应用。首先,综述了铝与合金元素的合金化,以此减少铝的自腐蚀,提高电池性能;并介绍了通过一定的加工工艺来改善铝阳极电化学性能的方法。其次,探讨了水溶剂电解质和非水溶剂电解质在铝-空气电池中的应用。同时,也研究了电解质添加剂对铝-空气电池的电化学性能的影响。最后,进一步明确了空气电池未来的研究和发展方向。     

铝-空气电池用铝合金阳极材料的研究进展

铝-空气电池是一种环保清洁能源,其应用日趋广泛,但大规模商业应用时仍存在很多困难。其中,铝合金阳极的活化、析氢自腐蚀和低的阳极效率一直是制约其发展的重要因素。着重从铝合金阳极的反应活化、钝化机理、添加合金元素及热处理等方面,综述了国内外近十几年来铝-空气电池用铝合金阳极材料的研究进展,展望了其未来发展方向。     

铝空气电池阳极、空气阴极及电解质材料研究进展

铝空气电池具有无毒无害、比能量高、成本低、安全性好等优点,被称为"面向21世纪的绿色能源",作为燃料电池在备用电源、应急电源以及新能源汽车等领域有很好的发展前景。然而,目前铝空气电池的产业化进展缓慢,其瓶颈问题归根结底还是材料问题,铝合金阳极材料和空气阴极催化剂的电化学特性提升是拓展其应用的关键。简单介绍了铝空气电池的基本原理,重点综述了铝合金阳极材料和空气阴极催化剂的研究进展,概述了电解质的研究情况,并展望了其未来发展。     

铝空气电池负极材料热处理的研究进展

以铝为负极的铝空气电池具有较高的理论电压和比能量,有很好的发展前景,一直是研究的热点,但铝阳极的腐蚀和极化相当严重,制约了铝空气电池的开发和应用。热处理能显著地影响铝阳极的电化学性能,适当的热处理有利于减小负极材料的腐蚀和极化,改善负极性能。综述了近年来铝空气电池负极材料口铝及铝合金热处理的研究进展。     

轻合金-空气电池的研究进展

金属-空气电池作为一种新的能源形式,因理论能量密度高、价格低廉、安全性好、使用温度范围广等优势,具有广阔的应用前景。目前研究较多的金属-空气电池包括锌-空气电池、铝-空气电池、锂-空气电池、镁-空气电池四类。轻合金-空气电池以能量密度高的轻合金材料作为电池负极,以空气电极作为正极,以碱性或中性盐溶液为电解液,主要包括铝-空气电池和镁-空气电池两种。铝、镁金属电化学容量高、成本低廉、储量丰富,是金属-空气电池中优秀的阳极候选材料,作为储能材料也成为化石燃料的有力替代者。然而,研究初期直接应用纯铝、纯镁的金属-空气电池性能表现不佳,存在诸多问题。随着铝合金及镁合金的发展,轻合金在金属-空气电池中的应用大大改善了金属负极的自腐蚀问题,提高了电极的放电活性,使电池整体性能表现更加优良。在铝-空气电池中,掺杂Sn、In、Ga、Mg等元素的铝合金电极腐蚀速率降低,阳极利用率提高,电极表面的钝化膜被破坏而实现活化效果;在镁空气电池中,Al、Zn、Mn、Li等合金元素提高了镁合金电极的耐腐蚀性能,电池的放电容量也有所提高。一些稀土元素的添加可以细化轻合金的晶粒,起到变质作用,轻合金电极的腐蚀及钝化问题均得到改善。本文介绍了金属-空气电池的基本原理,对两类轻合金-空气电池的性能表现进行了阐述,对金属-空气电池中目前存在的主要问题进行了分析归纳并简要介绍了其解决方案。主要聚焦在电池负极的合金化方式及各类轻合金在电池中的性能表现,并对轻合金-空气电池中的腐蚀原因及控制措施进行了总结展望。     

提高铝-空气电池铝阳极材料活性的研究进展

铝阳极的活性对铝-空气电池的性能起关键作用.综述了近年来铝阳极材料的研究进展,并对提高铝阳极材料活性的途径,包括铝阳极材料合金化、添加电解液缓蚀剂进行了详细论述.介绍了不同种类铝合金添加元素、不同类型缓蚀剂以及作用效果,展望了今后提高铝阳极材料活性的发展方向.     

L-半胱氨酸/ZnO缓蚀剂对5A06铝合金在碱性溶液中耐腐蚀性能的影响

为了降低铝阳极材料的自腐蚀速率及成本,选用防锈铝合金5A06作为铝空气电池阳极材料,研究L-半胱氨酸/ZnO复合缓蚀剂对5A06铝合金在4.00 mol/L NaOH溶液中电化学性能的影响。结果表明:L-半胱氨酸/ZnO复合缓蚀剂明显降低了5A06铝合金的自腐蚀速率,且该合金作为阳极的铝空气电池在NaOH/L-半胱氨酸/ZnO溶液中具有较高的电位及阳极利用率;L-半胱氨酸属于阴极型缓蚀剂,而ZnO属于成相型缓蚀剂。     

一次镁空气电池阳极材料研究进展

金属空气电池是一种安全高效无污染的新型电池,其广泛的应用前景得到了全球研究者的关注。镁空气电池是金属空气电池的代表之一,也是继锂电池之后电池发展的新方向,然而现有的镁空气电池利用率远未达到期望,而且电压不够稳定,所以提升其利用率及稳定性对于充分发挥镁空气电池的潜力至关重要。本研究从一次镁空气电池的结构出发,全面介绍了镁空气电池系统的相关概念,从阳极开发的角度全面介绍了镁空气电池最新的相关研究进展。同时基于近年来发表的结果,讨论了阳极开发所需要关注的因素,总结了一次镁空气电池阳极材料的设计方法,展望了未来镁空气电池的研究方向。     

锂空气电池性能改善方法的研究进展

锂空气电池是一种高能量密度的清洁储能设备,其应用对于缓解能源危机和环境压力具有重要意义。当前,锂空气电池性能仍受到阳极锂腐蚀、电解质分解、充放电效率低的影响。本文结合国内外研究最新进展,从阳极锂保护、电解质及添加剂的使用、氧化还原中间体和多孔阴极结构等方面探讨改善锂空气电池稳定性、提高放电产物分解速度、降低充放电过电位的方法,并对锂空气电池的应用前景进行展望。     

直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料(MIECs)。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。     

聚丙烯酸钠/ZnO复合缓蚀剂对6061铝合金在碱性电解液中电化学活性和放电性能的影响

为了抑制铝-空气电池阳极的自腐蚀速率、提高其放电性能，选用6061铝合金作为阳极材料，研究了单独添加和复合添加聚丙烯酸钠(PAAS)和氧化锌(ZnO)对铝合金在4 mol/L NaOH溶液中自腐蚀及放电性能的影响。结果表明：PAAS/ZnO复合缓蚀剂的缓蚀效果强于单一缓蚀剂。复合缓蚀剂在促进阳极活化的同时，在铝阳极表面形成了更加稳定的复合保护膜，有效减缓了阳极的析氢自腐蚀，提高了阳极利用率。在NaOH+PAAS+ZnO电解液体系中，6061铝合金的溶解主要由电荷在腐蚀产物或锌盐沉积层中的扩散控制。加入复合缓蚀剂后，6061铝合金的自腐蚀速率由0.496 4 mg/(cm²·min)降至0.275 0 mg/(cm²·min),缓蚀效率达到44.6%,同时平均放电电压由-1.381 V负移至-1.681 V,阳极利用率提高了13.5%,铝-空气电池的放电性能得到明显改善。     

新型电解质及添加剂对镁空气电池界面调控研究进展

镁空气电池因其高能量密度和环境友好性而备受关注,但镁阳极/电解质界面存在不可逆的电解-沉积、阳极自腐蚀和氢气析出等问题,严重影响电池的稳定性、安全性、寿命和功率密度。电解质调控是改善阳极/电解质界面的性质进而提高镁空气电池的综合性能的重要手段,综述了最近用于镁空气电池的电解质添加剂及新型电解质的研究和开发进展。电解质添加剂涉及无机、有机和复合型三大类,它们可以抑制阳极腐蚀、增强离子电导率、提高阳极效率等;新型电解质主要包括新型水系电解质和凝胶电解质,前者可以削弱析氢等有害副反应,后者可以规避漏液且具有高离子导电率和较低漏电流等优点。未来开发更多新型电解质添加剂及新型电解质是提升镁空气电池性能和稳定性的有效途径。     

正极材料与催化剂对锂空气电池性能的影响及相关研究进展

锂空气电池因其高理论能量密度引起了广泛关注。评述了锂空气电池正极材料及催化剂研究情况,分析了正极材料的结构、组成及催化活性对锂空气电池放电容量、稳定性及循环性能的影响,探讨了固体催化剂与可溶性催化剂在降低充电过电位、提高锂空气电池的稳定性与循环性能方面的作用,阐述了正极对锂空气电池性能的重要性及研究所面临的挑战。     

高活性铝合金阳极材料的电化学性能

铝合金由于具有能量密度大、密度低、材料来源丰富、价格便宜及绿色环保等优点,正成为一种理想的新型阳极材料.为推动铝阳极电池的实用化,研制新型高电性能铝合金阳极材料有重要的意义.制备了Al-Ga-In-Pb-Mg,Al-Ga-In-Pb-Mn,Al-Ga-In-Pb-Sn 3种新型铝合金阳极材料.采用腐蚀失重法、排水法和电化学方法分别测试了合金的自腐蚀速率、析氢速率及电化学性能,并采用扫描电镜(SEM)观察了铝合金阳极腐蚀后的表面形貌.结果表明,新型铝合金阳极具有较负的开路电位、低的自腐蚀速率和析氢速率,其中以Al-Ga-In-Pa-Mn-合金的开路电位,Al-Ga-In-Pa-Mg合金的自腐蚀速率和析氢速率最低;并且随着极化电位的升高,各合金均具有较高的电化学活性;同时,3种合金在放电状态下均具有稳定的工作电位.     

微生物燃料电池阳极材料研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为催化剂将化学能转化为电能的新型洁净能源装置。与其他技术相比,微生物燃料电池(MFC)在处理污水的同时能够产电。现有的MFC装置以及电极材料、隔膜等均未达到预期的效果,通过了解MFC的结构及机理,主要针对目前MFC低产电、高成本的现状,从电池电极材料、催化剂和隔膜等几方面综述了近几年的发展。阳极作为产电微生物的载体,是影响电池性能的关键。碳基材料由于其成本低、导电性好、有利于产电微生物的附着,被作为理想的阳极材料。着重介绍了阳极碳基材料的修饰及新型材料的合成。     

新型电池的新进展与竞争态势

正当今世界新能源科技日新月异,但新能源电动汽车的发展却始终因电池问题进展缓慢。近20年来人类电动汽车的发展史,就是寻求动力电池技术最佳解决方案的沿革史,而动力电池技术的重大突破主要源自于新材料的创新应用。近年来,新一代锂离子电池、燃料电池、金属-空气电池及其他新型电池,在材料结构和性能方面不断取得新进展和技术上的新突破,形成了相互竞争的态势。各种新型电池的出现,由于改进了安全性,缩短了充电、充气或更换金     

热电池电极材料的研究进展

介绍了热电池电极材料的应用和发展,重点讲述了热电池新型阴极和阳极材料的物理化学性能、晶型结构与组成、材料合成机制和制备等方面的研究现状,并探讨了热电池材料的发展方向及存在的问题。热电池的发展方向是大功率、长寿命。寻找阴极材料FeS2的替代材料及阳极材料LiB合金的稳定合成工艺是热电池活性材料的研究重点。     

影响铝阳极在NaCl溶液中放电性能因素的研究

为了减缓铝空气电池中铝阳极的自腐蚀及Cl-的腐蚀,在电解液中添加CeCl3可有效控制铝阳极的腐蚀.采用电化学阻抗谱(EIS),结合铝阳极双层模型,研究了缓蚀剂CeCl3浓度、含有CeCl3电解液的温度、pH值对铝阳极放电性能的影响,确定了铝阳极最佳放电条件:缓蚀剂CeCl3的浓度为500 mg/L,含有CeCl3电解液的温度为30℃,pH值在5～6之间.组装模拟电池进行放电性能测试,放电曲线表明,铝阳极在含有缓蚀剂CeCl3的3.5%NaCl溶液中的放电性能远好于在空白溶液中的性能.     

德国研发出新型锂硫电池 有望在电动汽车领域推广

日前，德国弗朗霍夫材料与光束技术研究所开发出一款新型锂一硫电池。该电池通过特殊的阴极与阳极材料组合，使其充电循环次数提高7倍，从不到200次扩大到1400次。     

国外铝合金牺牲阳极材料概况

由于铝是一种轻金属,又在理论上具有足够负的电位,理论电流输出量也很大;更有毒性小、材料来源充分,成本低、易于加工等优点;所以,铝被选为制作阴极保护用牺牲阳极的理想材料。另外,铝合金阳极的阳极电位和电流效率也都比较符合阴极保护的要求,因而,它的使用在世界各国都受到了重视。本文主要论述了铝合金牺牲阳极的研制和发展过程,各种添加元素对铝合金阳极性能的影响,以及铝合金阳极在船舶、港湾设施、海洋石油开采设备、海底钢结构件,以及地下设施方面的实际应用情况。