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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。      

铝合金牺牲阳极材料研究现状

铝合金牺牲阳极具有许多优点,近年来得到了广泛的应用。介绍了铝合金牺牲阳极材料中常用合金元素的作用、铝合金牺牲阳极的活化机理、主要的几类铝阳极材料、铝合金牺牲阳极应用概况以及发展前景。     

环保型铝合金阳极氧化表面处理研究进展

铝及其合金具有密度小、成形加工性能好、可回收利用和节能环保等优点,是飞机、汽车等现代交通工具制造的关键材料.但铝合金易发生局部腐蚀而失效,故工业应用中需对其进行阳极氧化以提高抗腐蚀能力.综述了近年来新型铝合金阳极氧化领域的研究现状,并重点关注了绿色环保型铝合金阳极氧化表面处理技术的研究进展,以期为新型航空铝合金及汽车铝合金表面处理技术的发展提供参考.     

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。     

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.     

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.     

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。     

日中即将联合提出铝阳极氧化复合膜国际标准提案

铝合金阳极氧化电泳涂装复合膜已经被我国建筑业市场所认可，电泳涂装已经由单一的光这透明的电泳漆发展到目前的消光电泳漆和有色电泳漆。目前国内外复合膜的相关标准有日本工业标准JIS H 8620-1992“铝及铝合金阳极氧化涂装复合膜”、中国国家标准GB 5237.3（2005）“铝合金建筑型材第三部分：电泳涂漆型材”和美国建筑制造业标准AAMA612-02（2002）“建筑铝阳极氧化膜与透明有机膜复合膜的性能要求和试验方法规范”，但还没有铝阳极氧化复合膜的国际标准。     

溶胶-凝胶技术在铝合金表面处理中的研究进展

采用溶胶-凝胶（Sol-gel）方法可以在材料表面制备各种Sol-gel无机物膜层,以赋予材料新的使用性能。综述了溶胶-凝胶技术在铝和铝合金的表面涂层制备以及在铝合金阳极氧化膜封闭方面的应用现状,指出溶胶-凝胶技术在铝合金表面处理方面是又一重要的绿色环保、有效的新技术。