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1、锌空气电池与锂空气电池报告人：赵啸宇，端木凡朋从电池的工作原理与组成等方面介绍了锌空气 电池与锂空气电池的研究进展锌-空气电池研究背景工作原理电池结构工作特性：锌-空气电池的开发过程分为四代：基本的电极反应：以纽扣电池为例介绍基本结构：锌-空气电池工作时的特殊性质研究背景第二代锌-空气电池纽扣电池体积小，从纽扣到硬币大小上世纪七十年代曾被作为助听器商业化工作原理锌-空气电池直接使用空气中的氧气参与产生电能的化学反应负极：ZnZn2+2e Zn+2OH-Zn(OH)2+2e Zn(OH)2ZnO+H2O 正极：O2+2H2O+4e4OH- O2+H2O+2eO2H-+OH- O2H-OH-+12
2、O2（速控步骤）简化电池截面图负极壳绝缘垫圈锌负极隔膜正极正极壳金属氧化物纽扣电池锌空气纽扣电池电池结构正极隔膜催化层金属网疏水膜扩散膜空气分散膜电池结构负极内部将会预留15%-20%的体积为负极自由体积催化层组分为碳与锰的氧化物混合所形成的导电介质正极通过添加很细的聚四氟乙烯微粒，增加疏水性金属网构成结构支架，并且作为集流体疏水膜保持空气和电解液之间的界面，能防止气体透过和防止水的进入空气分散层可以把氧气均匀地分散到正极表面工作特性1）电池尺寸选择性灵活从纽扣、硬币电池到大型方形电池，用于助听设备的纽扣电池和军用方形电池较多。2）电压稳定额定开路电压为1.4V，终止电压一般为0.9-1.1V
3、3）体积比能量高在所有纽扣电池中，锌-空气电池体积比能量最高。工作特性4）放电特性：放电曲线平稳，放电电流越大，电压越低5）储存寿命通常用密封标签密封住气孔，防止气体迁移进入电池引起电池性能的衰变；电池中锌电极会发生自放电反应，因为锌在碱性电解质中呈热力学不稳定性，反应生成ZnO和H2, H2 可以从密封签中透过，防止电池变形。高温和潮湿会显著影响自放电速度。总结：锂-空气电池一、研究背景一、研究背景1.近几十年来近几十年来,以金属以金属锂为基基础的的电池主池主导了高性能了高性能电池的池的发展展,这是因是因为在所有在所有的的电池池负极材料中极材料中,金属金属锂具有最低的密度具有最低的密度,高的
4、高的电压,较好的好的电子子电导及最高的及最高的电化学当量。化学当量。2.金属金属锂的比容量的比容量虽高达高达3860mAh.g-1 ，但大部分，但大部分锂离子离子电池正极材料的池正极材料的电化化学容量只有学容量只有200mAh.g-1 左右。由于价格、安全性、比能量等方面的影响左右。由于价格、安全性、比能量等方面的影响,寻找比能量更高、更便宜的正极材料一直是找比能量更高、更便宜的正极材料一直是锂电池池发展的方向。展的方向。3.金属空气金属空气电池提供了很好的池提供了很好的电化学性能化学性能,包括包括锌空气空气电池、池、镁空气空气电池、池、铁空气空气电池、池、钙空气空气电池、池、锂空气空气电池等
5、。在池等。在这些金属空气些金属空气电池中池中,金属金属负极极储存能存能量量,正极空气正极空气电极只是作极只是作为能量能量转换的工具的工具,氧气来自空气中氧气来自空气中,取之不尽取之不尽,这样也也就就带来巨大的比能量来巨大的比能量,通常金属空气通常金属空气电池的理池的理论比能量均在比能量均在1000mAh.g-1以以上。上。 可以看出在所有的金属空气可以看出在所有的金属空气电电池中池中锂锂空气空气电电池无疑具有最高的比能量池无疑具有最高的比能量,锂锂空气空气电电池惊人的能量密度将会在航天航空和移池惊人的能量密度将会在航天航空和移动动能源等能源等领领域起到不域起到不可估量的作用。可估量的作用。几种
6、金属空气几种金属空气电电池的特性池的特性二、原理二、原理&结构构锂空气空气电池两大体系池两大体系1.非水性非水性电电解液解液锂锂空气空气电电池池两个基本反两个基本反应应如下：如下： 2Li+O2Li2O2 E=3.10V(1) 4Li+O22Li2O E=2.91V(2)负负极金属极金属锂锂在放在放电过电过程中氧化程中氧化为锂为锂离离子，溶于子，溶于电电解液，解液，电电解液中的解液中的锂锂离子离子扩扩散到正极，与被散到正极，与被还还原的氧气反原的氧气反应应生生成成产产物物Li2O2或或Li2O沉沉积积在正极上。在正极上。(1)为为主反主反应应,Li2O2为为主主产产物。当放物。当放电电达到一定
7、深度达到一定深度(1V左右左右)，会有，会有 Li2O放放电产电产物出物出现现。反反应产应产物物Li2O2不溶于非不溶于非水性水性电电解液，逐步堵塞解液，逐步堵塞正极的孔隙，减少反正极的孔隙，减少反应应界面面界面面积积，阻碍反，阻碍反应应物物扩扩散至反散至反应应界面，从而界面，从而阻止反阻止反应应的的进进一步一步进进行，行，使使实际获实际获得的比容量低得的比容量低于其理于其理论值论值，同，同时还导时还导致致锂锂空空电电池循池循环环性能性能较较差等不良差等不良结结果。果。2. 双性双性电电解液解液锂锂空气空气电电池池于是催生出双性于是催生出双性电电解液解液锂锂空空气气电电池，将池，将电电池正极池
8、正极侧侧的非的非水性水性电电解液以水性解液以水性电电解液替解液替代，而代，而负负极极侧侧仍采用非水性仍采用非水性电电解液，从而在不影响解液，从而在不影响负负极极的同的同时时，解决了正极反，解决了正极反应产应产物不溶于物不溶于电电解液的解液的问题问题，2. 双性双性电解液解液锂空气空气电池池基本反基本反应应如下：如下：2Li+1/2O2+2H+ 2Li+H2O (3)2Li+1/2O2+H2O 2LiOH (4)其中反其中反应应式式(3)为为酸性溶液中的酸性溶液中的反反应应方程式，反方程式，反应应式式(4)为为中性中性或碱性溶液中的反或碱性溶液中的反应应方程式。方程式。反反应应平衡平衡电电位均高
9、于非水性位均高于非水性电电解液反解液反应应的平衡的平衡电电位，分位，分别为别为4.274V 和和3.446V。隔膜催化剂充充电时电电时电极反极反应应如下如下:（1）负负极反极反应应 Li+e-Li通通过导线过导线供供应电应电子，子，锂锂离子离子Li+由正极的水性由正极的水性电电解液穿解液穿过过隔膜隔膜到达到达负负极表面，在极表面，在负负极表面极表面发发生反生反应应生成金属生成金属锂锂。（2）正极反）正极反应应 4OH-O2+2H2O+4e-反反应应生成氧，生成氧，产产生的生的电电子供子供应应给导线给导线。隔膜催化剂二、原理二、原理&结构构结构构组成成1. 阳极阳极典型阳极是集流体承典型阳极是集
10、流体承载载的金属的金属锂锂，制，制备简单备简单，性能良好。，性能良好。进进一步的一步的设计设计采用了保采用了保护层护层，保，保护层护层常采用陶瓷或玻璃常采用陶瓷或玻璃锂锂离子离子导导体，体，这这种保种保护护金属金属锂电锂电极在极在水性、非水性溶液中都很水性、非水性溶液中都很稳稳定。定。2.阴极阴极&催化催化剂剂空气空气电电极典型制极典型制备备是是把碳、黏把碳、黏结剂结剂、催化、催化剂剂通通过过涂膜、浸涂膜、浸渍渍或或压压制等方法承制等方法承载载在集在集流体上。更流体上。更进进一步，一步，也可用也可用衬衬底来提高表底来提高表面面积积，或在阴极外表，或在阴极外表面放上透气膜防止水面放上透气膜防止水
11、分分进进入入电电池内。池内。3.电电解解质质&隔膜隔膜锂锂空气空气电电池常用隔膜有聚池常用隔膜有聚烯烃烯烃隔膜、玻璃隔膜、玻璃纤维纤维和固体离子和固体离子导电导电膜。膜。这这里介里介绍绍几种有机几种有机电电解解质质三、三、设计&性能性能锂锂空气空气电电池有多种池有多种结结构形式有构形式有软软包包装型、硬装型、硬币币型、塑料壳型等。最普型、塑料壳型等。最普遍的遍的结结构是采用构是采用软软包装型。包装型。这这是一个大型是一个大型锂锂空气空气电电池的池的单单体体设计设计，外壳，外壳为为特殊特殊设计设计，边长边长5in的方形，两的方形，两侧侧均有空气窗口，均有空气窗口，阳极的两面均有与之阳极的两面均有与之层层叠的空气叠的空气阴极。阴极。这这些些单单体集成起来可成体集成起来可成为为大型大型锂锂空气空气电电池。池。
