铝-空气电池空气电极的研究.pdf

-空气电池空气电极的研究

-空气电池及其发展前景和研究现状。利用静电纺丝法制
备钴碳复合纤维材料用于铝-空气电池的空气阴极，不同掺杂浓度的过渡金属钴
氧化物作为氧还原催化剂催化空气电极反应。对制备的碳纤维空气电极进行了
SEM、TEM和激光拉曼光谱的测量和分析，详细的电化学实验表明，6.6%的硝酸
钴掺杂质量分数的样品表现出最佳的性能。
我们探索适宜的催化剂浓度来提高碳纤维材料的氧还原催化能力的自组合
的空气电极的制备。电池放电试验是在二电极系统采用复合碳纤维空气阴极和一
个铝板阳极，电解液为2mol/LNaCl水溶液的封闭系统。

关键词：铝-空气电池，空气电极，碳纤维，硝酸钴

第一章文献综述

1.1铝-空气电池

铝是地壳中储量最多的金属，全球的工业储量超250亿吨[1]，其金属单质具
有较活泼的还原性，该金属能量密度仅次于金属锂，其理论电化学当量2.98Ah/g，
体积当量8.04Ah/cm3[2]。目前工业上已能通过电解方式大规模廉价获得金属铝，
金属铝具有易保存、易运输、易加工、反应安静且安全、对环境友好无污染的特
性，所以金属铝在能量储存和转换方面的应用一直以来就备受人们的重视。1850
年尝试性采用铝作电池阴极，1960年左右Zaromb等人确定了铝-空气电
池的可行性；EIecrodynamics、Dow及LLNL等公司联合组成的Voltek公司开
发出第一个用于驱动汽车的实际应用动力型VoltekA-2铝-空气电池[2]。
据悉，在等人研究的铝-空气电池中，回收反应产物的铝阳极的
成本价格约为6元人民币每千克，在铝-空气电动汽车中总效率能够达到15%（为
当时实验阶段的数据，后期可达到20%），比普通电动汽车13%的效率要高。其设
计的电池能量密度为1300Wh/kg，并且有望达到2000Wh/kg。整个电池系统估价为
30美元每千瓦，并在实际规模生产中可能降低到29美元每千瓦。而且作为电动车
的推进动力，铝所含能量以单位重量计约为单位重量汽油的一半，以单位体积计
约为汽油的3倍[15]。

1
1-1各种种阳极材料相关参数

阳极材料比能量负极电势电化学当量理论电压实际电压

（KWh/kg）（vs.SHE）（Ah/g）（V）（V）

Li13.0-3.053.863.42.4
Al8.1-2.302.982.71.2-1.6
Mg6.8-2.692.203.11.2-1.4
Ca4.6-3.011.343.42.0
Fe1.2-0.880.961.31.0
Zn1.3-1.250.821.61.0-1.1

铝-空气电池具有很高的比能量，理论上可达8100Wh/kg[1]。同样能量的铝-
空气电池其质量仅为铅酸电池的12%-15%，这一数值远高于当今各种电池的比能
量。能够与其比能量相当的只有电池，但电池安全性远远赶
Li-SOCl2Li-SOCl2
不上铝-空气电池，这也致使电池无法应用于动力电池[7]。虽然目前的
Li-SOCl2
铝-空气电池还无法像现有的化学充电电池一样进行循环充电，但我们可以通过
更换铝金属电极的方式进行快速的物理“充电”，加之铝的廉价易得，易回收无
污染，这使铝-空气电池在用作动力电池上有着非常明显的优势。据悉，用铝-
空气电池驱动汽车，在相同发动机重量的情况下，补充一次铝可以使汽车行驶
1600km[4]；而美铝加拿大公司和以色列Phinergy公司也向大众展示了能让汽车
连续行驶19小时1800km的铝空气动力电池。

表1-2铝-空气电池和5种蓄电池比较[3]

铝-空气电池比功率中等，相关已报道的较大比功率在400W/kg左右，电池
放电性能平稳，比功率难以提升显然是由氧电极（空气电极）催化性能所决定的，
其他的金属燃料电池和氢氧燃料电池的比功率不高，其原因也多在于氧电极的催

2

铝是一种高强度的能量载体，一般的金属铝表面会产生一层保护膜导致电极
电位显著低于理论值，而在铝活化状态下的抗腐蚀性会下降。虽然金属铝的钝化
膜只有几个纳米厚，但会引起负极极化增大、电位正移和电压滞后现象。铝的氧
化(钝化)发生有3个阶段：无定形氧化物生长阶段、品体氧化物形成时期和氧化
变得极慢时期[4]。
铝-空气电池结构比较简单，其使用寿命很大程度上只取决于空气电极的寿
命，因为铝阳极是可以更换的，电解液也是可以添加或更换的，只要提高空气电
极的寿命，更准确的说是提高催化剂的寿命，铝-空气电池就能长久使用。
目前，铝-空气电池还有一些技术难点，例如铝-空气电池比较依赖于环境条
件需要在空气环境中使用，但电解质（一般为液体）暴露在空气中溶剂会逐渐蒸
发，可能会导致极板的寿命缩减；空气电极如果被电解质淹没会极大地减少输出
功率（与空气接触不好）但不与电解质良好接触也会提高电