空气电池是
化学电池的一种。
构造原理与
干电池相似,所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧。例如有一种空气电池,以锌为负极,以
氢氧化钠为
电解液,而阴极是多孔的
活性炭,因此能吸附空气中的氧以代替一般干电池中的氧化剂(
二氧化锰)。
基本信息
空气电池的分类
锌空气电池
锌空气电池( zinc air battery),用
活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极
活性物质,以锌为负极,以
氯化铵或
苛性碱溶液为
电解质的一种原电池。又称锌
氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池,分别用字母A和
P表示,其后再用数字表示电池的型号。
锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢,为解决这一问题,通常锌空气电池 的负极锌板或
锌粒,被氧化成
氧化锌而失效后,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电到完全更新。放电时正、负极和
总反应的
化学方程式为:
正极:0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ
总反应:2Zn+O2=2ZnO
锌锰电池中用含铂的多孔性
炭电极代替
二氧化锰炭包,开发了锌空气
干电池的技术。
①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同,也采用氯化铵与
氯化锌为电解质,只是在炭包中以
活性炭代替了二氧化锰,并在盖上或周围留有
通气孔,在使用时打开;
②纽扣式锌空气电池:结构与
锌银扣式电池基本相同,但在正极外壳上留有小孔,使用时可打开;
③低功率大荷电量的锌空气
湿电池:将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有
氢氧化钠溶液的容器中;
④高功率
锌空气电池:一般是将薄片状粘结式活性炭电极装在电池外壁上,将
锌粉电极装在电池中间,两者之间用吸液的隔膜隔离,
上口装有
注液塞。使用时注入
氢氧化钾溶液。这种电池便于携带。低功率锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型,活性炭电极能反复使用,因而电池在耗尽
电荷量以后,只要更换锌电极和
碱液,就可重复使用。
锂空气电池
大容量锂-空气电池并非新概念,都未普及原因是它存在致命缺陷,日本的研究院克服了这个困难,但要想实现商用,可能还需要10年。
减碳,对于人类福祉来说,绝对不是离谱的要求,但对于全球
汽车业来说,却是一件困难的事情。
众所周知,
锂离子电池广泛用于手机和
笔记本电脑等,也已经是下一代充电式
混合动力车和电动车的理想之选。它比其它汽车电池的密度更高、电量更充足,但也更贵,受制于
电池容量,充电后的行驶距离仍不够远。即将于2010年上市的雪佛兰Volt
混合动力汽车如果仅仅使用电池,只能行驶40公里。
尽管仍有改进的空间,但锂离子电池的潜力依然有限。普遍认为,要实现
电动汽车的普及,能源密度需达到约6~7倍。于是,理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属
锂空气电池备受关注。虽然仍使用有机
溶媒,但它却以全新的构成极大提高电池的
能量密度。
锂-空气电池并非新概念。由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质,理论上正极的容量密度是无限的,可加大容量。另外,如果负极使用金属锂,
理论容量会比
锂离子充电电池提高
一位数。
但是,为什么锂-空气电池都未普及?原因是它存在致命缺陷,即固体反应
生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积,使
电解液与空气的接触被阻断,从而导致放电停止。
2009年2月,日本
产业技术综合研究所能源
技术研究部门能源界面技术研究小组组长
周豪慎和
日本学术振兴会(JSPS)外籍
特别研究员王永刚共同开发出了
新构造的大容量
锂空气电池。
他们通过将电解液分成两种来解决上述问题。在负极(金属锂)一侧使用有机电解液,在正极(空气)一侧使用水性电解液。在两种电解液之间设置只有锂离子穿过的
固体电解质膜,将两者隔开。这样便可防止电解液混合,并促进电池发生反应。
负极用电解液组合使用的是含有
锂盐的有机电解液。虽然不能弃用有机溶媒,但却限定了使用方法。正极用水性电解液使用碱性
水溶性凝胶,与微细化后的碳和低价氧化物催化剂形成的正极组合。
锂-空气电池分为含水和不含水两种。其中,不含水的锂-空气电池的放电产物是不溶于电解液的Li2O2。Li2O2具有很差的
导电性,所以不含水的锂-空气电池通常会有较大的over
potential。
在含水的
锂-空气电池中,由于放电
反应生成的并非是固体的Li2O2,而是容易溶解在水性电解液中的LiOH(
氢氧化锂)。氧化锂在空气电极堆积后,不会导致工作停止。水及氮等也不会穿过
固体电解质的隔壁,因此不存在与负极的锂金属发生反应的危险。而且,在充电时,如果配置充电专用的正极,还可防止充导电致空气电极的腐蚀和老化。
实验证明,以0.1A/g的
放电率进行放电时,放电容量约为9000
mAh/g,而以前的锂-空气电池的放电容量仅为700~3000mAh/g,可以说实现了容量的大幅增加。
另外,如果使用水溶液取代水溶性凝胶,便可在空气中以0.1A/g的放电率
连续放电20天,其放电容量约为5万mAh/g(空气极的单位质量),比原来高一位数。由于金属锂电池的容量原本就比锂离子电池高一位数,因此该数值共比锂离子充电电池高两位数。
由于水溶液的性能较高,而在易用性上凝胶更为出色,科学家们今后需要考虑决定究竟对这两者中的哪一个进行开发。
了解到,这种技术还可考虑与单纯的充电电池不同的使用方法。如果不对电池进行充电,而是通过汽车底座更换正极的水性电解液,以卡盒等方式补给负极的金属锂,汽车便可实现无需充电
等待时间,立即行驶。
而且,通过回收用过的水性电解液,以电气方式重新生成金属锂,还可继续作为电池负极
燃料循环使用,避免产生其他污染。锂-空气电池可以说是以金属锂为燃料的新型
燃料电池。
科学家认为,
锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍,可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电,因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术,但如果没有重大突破,要想实现商用可能还需要10年。
铝空气电池
铝空气电池,顾名思义就是以铝与空气作为电池材料的一种
新型电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源,是一款对环境十分友好的电池。电池的结构以及使用的原材料可根据不同实用环境和要求而变动,具有很大的适应性,既能用于陆地也能用于深海,既可做动力电池,又能作长寿命高比能的信号电池,是一款十分强大的电池,有很广阔的应用前景。
铝空气电池的
化学反应与
锌空气电池类似,
铝空气电池以高纯度铝Al(含铝99.99%)为负极、氧为正极,以
氢氧化钾(KOH)和
氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧,在电池放电时产生化学反应,铝和氧作用转化为氧化铝。铝空气电池的进展十分迅速,它在EV上的应用已取得良好效果,是一种很有发展前途的空气电池。
铝空气电池的特点:
铝空气电池的实际比能量只达到350~400Wh/kg,这数值还不及它理论值的5%。但就是这5%不到的比能量也是
铅酸电池的7~8倍、
镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。
若采用
铝空气电池的电动车,
续驶里程明显地提高。国外有关资料介绍,美国
加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上,有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。
2、质量轻
我国开发和研制的牵引用动力型
铅酸蓄电池的总能量为13.5kWh,
总质量为375kg。而同样能量的铝空气电池总质量仅45kg,为铅酸蓄电池质量的12%。由于电池质量大大减轻,车辆的
整备质量也降低,可以提高车辆的装载能量或延长续驶里程。
3、铝没有毒性和危险性
铝对人体不会造成伤害,可以回收循环使用,不污染环境。铝的原材料丰富,已具有大规模的铝
冶炼厂,
生产成本较低。铝回收再生方便,回收再生成本也较低。而且可以采用更换铝电极的方法,来解决
铝空气电池充电较慢的问题。
正如所有的事物有其优秀的一面也有不足的一方一样,铝空气电池也有
不足之处。
虽然它含有高的比能量,但
比功率较低,充电和放电速度比较缓慢,
电压滞后,
自放电率较大,需要采用热
管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。