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。     

海水pH值对铝-空气-海水电池阳极性能的影响

为研究海水pH值升高对铝-空气-海水电池的铝阳极的腐蚀性能和放电性能的影响,以不同pH值的海水作为介质,采用极化曲线、交流阻抗、恒电流极化曲线和扫描电镜研究了铝合金在不同pH值海水中的腐蚀行为和放电行为。结果表明：随着pH值的升高,铝合金的自腐蚀电位逐渐降低,腐蚀速度加快;海水pH值的升高使铝合金的钝化区间变宽,当pH...     

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。     

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。     

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。     

镁合金海水电池阳极材料电化学性能研究进展

镁及镁合金以其低密度、高电化学活性、高比容量等优点成为优异的海水电池阳极材料,自20世纪40年代以来备受关注.镁合金作海水电池阳极材料常用于Mg/C海水溶解氧电池及Mg/AgCl、Mg/PbCl或Mg/CuCl海水激活电池.目前常见的镁合金海水电池阳极材料体系为Mg-Al-Zn、Mg-Hg-Ga及Mg-Al-Pb系,此类材料能够满足大部分海下工作设备尤其是小功率用电设备的用电需求.然而,对海下大功率用电设备(如鱼雷等)而言,镁海水电池仍存在一些亟待解决的问题,如由于负差数效应、放电产物膜钝化、电压滞后及粒子脱附等问题导致电池阳极利用率低、放电活性下降.目前提高镁合金阳极材料放电性能的思路主要为合金化、改变加工工艺及微观组织特征三个方面.常见海水电池用镁合金阳极材料合金化元素Al、Zn、Hg、Ga、Pb、In、Sn等通过改变合金微观组织特征调控合金的电化学性能,取得了显著的成果;加工工艺(如均匀化热处理、挤压、轧制后退火等)通过均匀合金微观组织、细化晶粒尺寸、破碎粗大第二相粒子、减少塑性变形导致的晶内缺陷以减少析氢副反应、提高阳极利用率;微观组织如杂质及成分均匀性、第二相粒子、晶粒尺寸、织构及放电产物膜等对镁合金阳极放电性能的影响视其特征而定.本文归纳了近年来镁及镁合金作海水电池阳极材料时电化学性能提升方面的研究进展,分别从合金化、加工工艺及微观组织特征三个方面综述了镁合金电化学性能的影响因素及其作用机理,分析了镁合金海水电池阳极材料电化学性能存在的问题及其应用前景,以期为提高镁合金阳极材料放电性能及发展镁合金海水电池提供参考.     

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.     

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。     

海水介质中高活性镁合金负极的电化学性能

研制了一种新型镁合金负极材料；用电化学方法测定了镁合金负极在人造海水介质中的电化学性能，用浸泡法测定了材料在人造海水介质中的自腐蚀速度，用扫描电子显微镜观察了镁合金腐蚀后的表面形貌，并与AP65合金和纯镁进行了比较。结果表明，新研制的镁合金在人造海水介质中的开路电位增加，自腐蚀速度降低，稳定工作电位提高，电极表面腐蚀均匀，可开发用于高电性能电池的负极材料。     

碱性锌/空气电池阳极(锌电极)材料研究进展

碱性锌/空气电池具有比能量高、输出电压稳定、无污染、原材料便宜、易得等优点而受到广泛的重视.锌电极作为锌/空气电池的阳极,其性能的好坏将直接影响电池的放电性能(输出功率、循环寿命、放电深度等)和贮藏性能.锌电极存在的主要问题有:枝晶、形变、自腐蚀、钝化等.针对上述问题,从锌电极材料的物理性能,以及电极和电解质的添加剂入手,综述了国内外最新的研究进展.     

Sn对Al-Mg-Ga-Sn阳极合金电化学性能的影响

为提高铝合金在金属空气电池中作为阳极的电化学性能,本文研究了不同含量的Sn元素对Al-Mg-Ga合金电化学性能的影响,测试了不同Sn含量的合金在6 mol/L KOH电解液中的开路电位、极化曲线、交流阻抗谱和恒流放电等性能.结果表明:Sn元素能够明显改善铝合金阳极的性能,与纯铝相比,合金的电化学性能得到了大幅度提升;当加入的Sn含量为0.1wt％时,合金的析氢腐蚀最慢、电化学性能最佳,合金具有最好的综合性能.     

铝空气电池阳极材料的研究进展

铝空气电池是一种金属燃料电池,发展至今已有数十年历史。与其他电池技术相比,铝空气电池在电极成本、能量密度、环保性、易充电性(阳极可更换的机械式充电)等方面具有独特的优势,是一种潜在的具有大规模商业开发和应用价值的电池技术。可以预见铝空气电池技术的进步,将给传统电池技术和铝工业的发展带来巨大的机遇和变革。回顾了铝空气电池的发展历史,介绍了铝空气电池的结构和工作原理。主要聚焦电池的阳极材料,归纳了铝阳极的活化机理,论述了铝阳极材料当前存在的主要问题,综述了铝的纯度、微合金化、热处理及加工变形等因素对其电化学性能的影响,对铝空气电池阳极材料未来的研究重点及方向进行了展望。     

镁电池的研究进展

镁电池具有高功率、高能量密度、低成本、无毒害等特点.介绍了镁电池的类型和工作原理,综述了镁合金负极、镁电池正极、电解液等方面的研究进展,指出镁负极中添加稀土及Ga等合金元素可改善电池性能,正极材料采用有机化合物可使电池放电平稳、电解液以Mg(ClO4)2最有前途,讨论了镁电池的发展方向.     

铝空气电池电解液pH值对其阴阳极电化学性能的影响

为了考察铝空气电池电解液pH值对其阴阳极电化学性能的影响,利用极化曲线、电化学阻抗谱、恒流放电曲线测量等方法对铝合金阳极和空气电极在3.5%NaCl溶液中的电化学行为进行了研究。结果显示:随pH值升高,铝合金的腐蚀速度先降低后升高;铝合金恒流放电1 200 s后,电极电位从低到高的pH值依次为3,11,5,7,9;当溶液pH=11时,空气电极表现出较好的极化性能和恒流放电性能。     

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.     

阿拉伯糖对铝-空气电池中铝合金电极电化学活性及腐蚀性能的影响

为了获得既高效又不降低电极电化学活性的新型铝-空气电池用电解液缓蚀剂,针对商品化的铝-空气电池用铝合金电极材料和空气电极,通过电化学分析并结合腐蚀产物的结构及形貌分析,研究了阿拉伯糖对铝合金电极和空气电极的电化学活性以及铝合金电极腐蚀行为的影响。结果表明:在碱性电解液中加入阿拉伯糖,有利于铝合金电极的活性溶解,提高铝合金电极的电化学活性,同时不影响空气电极的电化学活性;阿拉伯糖的加入可有效降低放电过程中铝合金电极的腐蚀,大幅度提高铝合金电极的利用率,其浓度应控制在(0.1~0.5)×10-3mol/L。     

镁海水电池及镁阳极材料的研究进展

镁电极材料具有成本低、无毒、无污染、放电电压平稳、比能量及比功率高、资源丰富、可再生等诸多优点,但用作海水电池阳极仍存在自腐蚀速率大、阳极利用率低等问题.介绍了镁海水电池的种类,综述了近年来海水电池中镁阳极材料的研究进展,并展望了今后提高镁阳极材料性能的发展方向.     

温度对Ni/MH电池储氢合金负极电化学性能影响的研究

为了揭示温度对Ni/MH电池储氢合金负极电化学性能的变化规律和机理,以真空电弧熔炼法制备AB5型LaNi4.1Co0.6Mn0.3储氢合金为Ni/MH电池负极材料,研究了其在-35、0、30和50℃4个测试温度下的电化学性能。研究表明:随着温度的升高,合金电极的放电电压、容量和高倍率性能呈现先增加后降低的趋势,在30℃时合金电极的综合性能最优。在低温条件下,合金电极表面电荷转移速度和合金内部氢原子扩散能力降低导致高倍率性能恶化,高温条件下,储氢合金腐蚀加剧和氢化物稳定性显著降低合金电极的放电容量。     

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。     

锂空气电池研究进展

随着全球经济的不断发展,环境污染和资源问题对能源发展提出了新的要求,研究与开发高能量密度的电源体系势在必行。以空气作为正极活性物质和以金属作为负极活性物质的金属空气电池,可以直接利用空气中的氧气,表现出高比能量的特点,其理论比能量均在1000wh／kg以上。其中,锂空气电池具有较高的放电平台和较低的分子质量,表现出显著的优势。