问题62 金属空气电池的工作原理是什么?
①铝空气电池。铝空气电池的负极是铝合金,在电池放电时被不断消耗,并生成AL(OH)3;正极是多孔性氧电极,与氢氧燃料电池的氧电极相同,电池放电时,从外界进入电极的氧(空气)发生电化学反应,生成OH-。电解液可分为两种:其一为中性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水);另一种是碱性溶液。可以认为铝空气电池是半个燃料电池。
中性溶液时,铝空气电池总的反应为
碱性溶液时,铝空气电池总的反应为
铝空气电池具有质量轻、比能量大的显著特点。资料显示,铝空气电池的理论比能量可达8100W·h/kg,目前的实际比能量约实现了350W·h/kg,是锂电池的2.3倍,镍氢电池的6倍,铅酸电池的7倍多。
②镁空气电池。
水体系时,镁空气电池总的放电反应为
非水体系时,镁空气电池总的放电反应(中性溶液和碱性溶液)为
Mg+O2=MgO2
或
镁空气电池能量密度高,理论电压高,清洁安全。镁储量丰富,具有成本优势。镁空气电池的能量密度可达重量相等的锂电池的10倍。但镁阳极的反应效率较低,空气阴极的响应速度较慢,尽管这种电池能够储存很多能量,但是将能量转换成实际的动力十分有限。
③锌空气电池。锌空气电池又称锌氧电池,以锌为负极,活性炭吸附空气中的氧或纯氧为正极活性物质,氯化铵或苛性碱溶液为电解质。
锌空气电池总的放电反应为
锌空气电池的比能量高,可达到340W·h/kg,安全,放电性能稳定,成本低廉。其重量是锂电池的50%,续驶里程是锂电池的200%,初装价格约为锂电池的40%。
④锂空气电池。锂空气电池的概念最早由Lockheed提出,电解液为碱性水溶液。锂空气电池用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极。放电时,阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(Li+),Li+穿过电解质材料,在阴极与氧气,以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2),并留在阴极。锂空气电池的开路电压为2.91V。其放电反应方程为
放电过程中Li、H2O和O2被消耗,在Li表面生成了一层保护膜而阻碍电化学反应的快速进行。在开路或低功率的状态下,Li的自放电率很高,并伴随着Li的腐蚀反应:
锂空气电池的比能量是锂离子电池的10倍,体积更小,重量更轻,目前仍处于实验室阶段。