鋅空氣電池與鋰空氣電池.ppt

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1、鋅空氣電池與鋰空氣電池報告人：趙嘯宇，端木凡朋———從電池的工作原理與組成等方面介紹了鋅空氣電池與鋰空氣電池的研究進展鋅-空氣電池研究背景工作原理電池結(jié)構(gòu)工作特性：鋅-空氣電池的開發(fā)過程分為四代：基本的電極反應：以紐扣電池為例介紹基本結(jié)構(gòu)：鋅-空氣電池工作時的特殊性質(zhì)研究背景第一代研發(fā)于20世紀30年代體積較大，用于偏遠地點的電源如：航標燈；鐵路信號燈第三代03年研發(fā)成功，輸出中等功率，壽命為幾個月采用注塑一體成型的外殼，環(huán)氧型黏結(jié)劑密封第四代21世紀初開始研發(fā)恢復大體積設計，有預先激活、水激活、凝膠電解質(zhì)型三種電池第二代鋅-空氣電池——紐扣電池體積小，從紐扣到硬幣大

2、小上世紀七十年代曾被作為助聽器商業(yè)化工作原理鋅-空氣電池直接使用空氣中的氧氣參與產(chǎn)生電能的化學反應負極：Zn→Zn2++2eZn+2OH-→Zn(OH)2+2eZn(OH)2→ZnO+H2O正極：O2+2H2O+4e→4OH-O2+H2O+2e→O2H-+OH-O2H-→OH-+1∕2O2（速控步驟）簡化電池截面圖負極殼絕緣墊圈鋅負極隔膜正極正極殼金屬氧化物紐扣電池鋅空氣紐扣電池電池結(jié)構(gòu)正極隔膜催化層金屬網(wǎng)疏水膜擴散膜空氣分散膜電池結(jié)構(gòu)負極內(nèi)部將會預留15%-20%的體積為負極自由體積催化層組分為碳與錳的氧化物混合所形成的導電介質(zhì)正極通過添加很細的聚四氟乙烯微粒，增加

3、疏水性金屬網(wǎng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)支架，并且作為集流體疏水膜保持空氣和電解液之間的界面，能防止氣體透過和防止水的進入空氣分散層可以把氧氣均勻地分散到正極表面工作特性1）電池尺寸選擇性靈活從紐扣、硬幣電池到大型方形電池，用于助聽設備的紐扣電池和軍用方形電池較多。2）電壓穩(wěn)定額定開路電壓為1.4V，終止電壓一般為0.9-1.1V3）體積比能量高在所有紐扣電池中，鋅-空氣電池體積比能量最高。工作特性4）放電特性：放電曲線平穩(wěn)，放電電流越大，電壓越低5）儲存壽命通常用密封標簽密封住氣孔，防止氣體遷移進入電池引起電池性能的衰變；電池中鋅電極會發(fā)生自放電反應，因為鋅在堿性電解質(zhì)中呈熱力學不穩(wěn)定

4、性，反應生成ZnO和H2,H2可以從密封簽中透過，防止電池變形。高溫和潮濕會顯著影響自放電速度?？偨Y(jié)：缺點受環(huán)境控制活化后壽命短優(yōu)點無環(huán)境問題放電電壓平穩(wěn)比能量高成本低鋰-空氣電池研究背景原理及結(jié)構(gòu)設計&性能一、研究背景1.近幾十年來,以金屬鋰為基礎的電池主導了高性能電池的發(fā)展,這是因為在所有的電池負極材料中,金屬鋰具有最低的密度,高的電壓,較好的電子電導及最高的電化學當量。2.金屬鋰的比容量雖高達3860mAh.g-1，但大部分鋰離子電池正極材料的電化學容量只有200mAh.g-1左右。由于價格、安全性、比能量等方面的影響,尋找比能量更高、更便宜的正極材料一直是鋰電

5、池發(fā)展的方向。3.金屬空氣電池提供了很好的電化學性能,包括鋅空氣電池、鎂空氣電池、鐵空氣電池、鈣空氣電池、鋰空氣電池等。在這些金屬空氣電池中,金屬負極儲存能量,正極空氣電極只是作為能量轉(zhuǎn)換的工具,氧氣來自空氣中,取之不盡,這樣也就帶來巨大的比能量,通常金屬空氣電池的理論比能量均在1000mAh.g-1以上?？梢钥闯鲈谒械慕饘倏諝怆姵刂袖嚳諝怆姵責o疑具有最高的比能量,鋰空氣電池驚人的能量密度將會在航天航空和移動能源等領(lǐng)域起到不可估量的作用。幾種金屬空氣電池的特性二、原理&結(jié)構(gòu)——鋰空氣電池兩大體系1.非水性電解液鋰空氣電池兩個基本反應如下：2Li+O2→Li2O2Eθ

6、=3.10V(1)4Li+O2→2Li2OEθ=2.91V(2)負極金屬鋰在放電過程中氧化為鋰離子，溶于電解液，電解液中的鋰離子擴散到正極，與被還原的氧氣反應生成產(chǎn)物Li2O2或Li2O沉積在正極上。(1)為主反應,Li2O2為主產(chǎn)物。當放電達到一定深度(1V左右)，會有Li2O放電產(chǎn)物出現(xiàn)。反應產(chǎn)物Li2O2不溶于非水性電解液，逐步堵塞正極的孔隙，減少反應界面面積，阻礙反應物擴散至反應界面，從而阻止反應的進一步進行，使實際獲得的比容量低于其理論值，同時還導致鋰空電池循環(huán)性能較差等不良結(jié)果。2.雙性電解液鋰空氣電池于是催生出雙性電解液鋰空氣電池，將電池正極側(cè)的非水性電

7、解液以水性電解液替代，而負極側(cè)仍采用非水性電解液，從而在不影響負極的同時，解決了正極反應產(chǎn)物不溶于電解液的問題，2.雙性電解液鋰空氣電池基本反應如下：2Li+1/2O2+2H+→2Li+H2O(3)2Li+1/2O2+H2O→2LiOH(4)其中反應式(3)為酸性溶液中的反應方程式，反應式(4)為中性或堿性溶液中的反應方程式。反應平衡電位均高于非水性電解液反應的平衡電位，分別為4.274V和3.446V。隔膜催化劑充電時電極反應如下:（1）負極反應Li++e-→Li通過導線供應電子，鋰離子Li+由正極的水性電解液穿過隔膜到達負極表面，在負極表面發(fā)生反