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 Zn Zn2 2eZn 2OH Zn OH 2 2eZn OH 2 ZnO H2O正极 O2 2H2O 4e 4OH O2 H2O 2e O2H OH O2H OH 1 2O2 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 1V3 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 1 近几十年来 以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展 这是因为在所有的电池负极材料中 金属锂具有最低的密度 高的电压 较好的电子电导及最高的电化学当量 2 金属锂的比容量虽高达3860mAh g 1 但大部分锂离子电池正极材料的电化学容量只有200mAh g 1左右 由于价格 安全性 比能量等方面的影响 寻找比能量更高 更便宜的正极材料一直是锂电池发展的方向 3 金属空气电池提供了很好的电化学性能 包括锌空气电池 镁空气电池 铁空气电池 钙空气电池 锂空气电池等 在这些金属空气电池中 金属负极储存能量 正极空气电极只是作为能量转换的工具 氧气来自空气中 取之不尽 这样也就带来巨大的比能量 通常金属空气电池的理论比能量均在1000mAh g 1以上 可以看出在所有的金属空气电池中锂空气电池无疑具有最高的比能量 锂空气电池惊人的能量密度将会在航天航空和移动能源等领域起到不可估量的作用 几种金属空气电池的特性 二 原理 结构 锂空气电池两大体系 1 非水性电解液锂空气电池 两个基本反应如下 2Li O2 Li2O2E 3 10V 1 4Li O2 2Li2OE 2 91V 2 负极金属锂在放电过程中氧化为锂离子 溶于电解液 电解液中的锂离子扩散到正极 与被还原的氧气反应生成产物Li2O2或Li2O沉积在正极上 1 为主反应 Li2O2为主产物 当放电达到一定深度 1V左右 会有Li2O放电产物出现 反应产物Li2O2不溶于非水性电解液 逐步堵塞正极的孔隙 减少反应界面面积 阻碍反应物扩散至反应界面 从而阻止反应的进一步进行 使实际获得的比容量低于其理论值 同时还导致锂空电池循环性能较差等不良结果 2 双性电解液锂空气电池 于是催生出双性电解液锂空气电池 将电池正极侧的非水性电解液以水性电解液替代 而负极侧仍采用非水性电解液 从而在不影响负极的同时 解决了正极反应产物不溶于电解液的问题 2 双性电解液锂空气电池 基本反应如下 2Li 1 2O2 2H 2Li H2O 3 2Li 1 2O2 H2O 2LiOH 4 其中反应式 3 为酸性溶液中的反应方程式 反应式 4 为中性或碱性溶液中的反应方程式 反应平衡电位均高于非水性电解液反应的平衡电位 分别为4 274V和3 446V 隔膜 催化剂 充电时电极反应如下 1 负极反应Li e Li通过导线供应电子 锂离子Li 由正极的水性电解液穿过隔膜到达负极表面 在负极表面发生反应生成金属锂 2 正极反应4OH O2 2H2O 4e 反应生成氧 产生的电子供应给导线 隔膜 催化剂 二 原理 结构 结构组成 1 阳极 典型阳极是集流体承载的金属锂 制备简单 性能良好 进一步的设计采用了保护层 保护层常采用陶瓷或玻璃锂离子导体 这种保护金属锂电极在水性 非水性溶液中都很稳定 2 阴极 催化剂 空气电极典型制备是把碳 黏结剂 催化剂通过涂膜 浸渍或压制等方法承载在集流体上 更进一步 也可用衬底来提高表面积 或在阴极外表面放上透气膜防止水分进入电池内 3 电解质 隔膜 锂空气电池常用隔膜有聚烯烃隔膜 玻璃纤维和固体离子导电膜 这里介绍几种有机电解质 三 设计 性能 锂空气电池有多种结构形式有软包装型 硬币型 塑料壳型等 最普遍的结构是采用软包装型 这是一个大型锂空气电池的单体设计 外壳为特殊设计 边长5in的方形 两侧均有空气窗口 阳极的两面均有与之层叠的空气阴极 这些单体集成起来可成为大型锂空气电池