開發(fā)中的鋰空氣電池一些研發(fā)知識(shí)之36

1、開發(fā)中的鋰空氣電池一些研發(fā)知識(shí)之36理論上30kg金屬鋰釋放的能量與40L汽油釋放的能量基本相同。如果從用過的水性電解液中回收空氣極生成的氫氧化鋰（LiOH），很容易重新生成金屬鋰，可作為燃料進(jìn)行再利用。目前，各種鋰離子電池，將會(huì)接受安全性、環(huán)保以及市場的考驗(yàn)，最后選擇誰勝誰負(fù)。目前的鋰空氣電池的壽命并不能令人滿意，雖然相關(guān)新的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明不斷傳來，但是權(quán)威人士估計(jì)這項(xiàng)技術(shù)的完善大約需要十年時(shí)間。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)初步證明: 鋅空氣鈕扣電池空氣電極（1）單層膜空氣擴(kuò)散電極其有較好的透氣性能；在相同的極化電位下，單層膜電投E2的極化電流密度最大。（2）三層膜空氣擴(kuò)散電極具有最優(yōu)的防漏液性能；（3）雙層膜電極

2、E2有較好的透氣性、較高的放電電流密度移防漏液性能良好，具有高的平均工作電壓和最長的放電時(shí)間。這種實(shí)驗(yàn)方法，在研究鋰（金屬）空氣電池時(shí)有一定參考價(jià)值。鋅空氣電池研究新動(dòng)向空氣擴(kuò)散電極對(duì)鋅空氣鈕扣電池性能提高能效方法的研究鋅空氣電池具有比容量大、比能量高、放電性能穩(wěn)定、原材料便宜易得、生產(chǎn)和使用過程均無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)小型或微型電器來說，扣式鋅空氣電池?zé)o疑是很理想的電池。但是，目前還存在放電電流密度小、漏液爬堿、電解液碳酸化以及使用壽命短等問題。國內(nèi)外關(guān)于空氣擴(kuò)散電極的結(jié)構(gòu)與扣式鋅空氣電池性能之間關(guān)系的研究報(bào)道比較少。試驗(yàn)通過改變空氣電極的結(jié)構(gòu)測試空氣電極的透氣性能、極化曲線、放電性能等方法，

3、較系統(tǒng)地研究了空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)與扣式鋅空氣電池性能之間的關(guān)系。試驗(yàn)方法1 實(shí)驗(yàn)1.1 空氣擴(kuò)散電極的制備1.1.1 單層膜空氣擴(kuò)散電極的制備空氣擴(kuò)散電極所用的催化劑為溶膠。凝膠法制備的LiMn2-xCoxO4（X=O.01-0.5），粘接劑是同含量為60的聚四氟乙烯（PTFE）乳液，造孔劑為無水硫酸鈉（Na2SO4）。將活性炭、乙炔黑、PTFE、無水硫酸鈉與催化劑按一定比例混合，以乙醇作分散劑，攪拌至糊狀后輥壓成型，制得催化透氣膜。把催化透氣膜與集流網(wǎng)（泡沫鎳）疊合后輥壓成型，80條件下干燥30mins即得單層膜空氣擴(kuò)散電極El。1.1.2 雙層膜和三層膜空氣擴(kuò)散電極的制備將活性炭、PTFE-

4、孚乳液、無水硫酸鈉和催化劑按一定比例混合，以乙醇作分散劑，加熱攪拌至糊狀后輥壓成催化膜；將乙炔黑、PTFE-孚L液與無水硫酸鈉混合，以同樣的方法制成防水透氣膜；采用疊合后輥壓成型的方法制備出如圖1所示三種不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極。1.2 空氣電極透氣性能的測試采用圖2所示的裝置測定本文所制備的空氣擴(kuò)散電極的透氣性能?？諝怆姌O的有效面積為706mm2，進(jìn)氣口的氧氣壓力為0.15MPa。通氣后，測量在lmin內(nèi)所排出水的體積。圖1 空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)示意圖圖2 空氣擴(kuò)散電極的透氣性能測試裝置1.3 空氣擴(kuò)散電極的電流一電壓極化曲線的測試采用空氣電極為工作電極，HgHgO電極為參比電極，鎳網(wǎng)為對(duì)電極的三

5、電極體系，電解質(zhì)溶液為7moll的KOH溶液，在CHI.660B電化學(xué)工作站（上海辰華公司）測試空氣電極的穩(wěn)態(tài)電流一電壓極化曲線（電位掃描速度為5mVs）。1.4 鋅空氣扣式電池樣品的制備及其放電性能的測定鋅空氣扣式電池樣品采用外氧式結(jié)構(gòu)，以鋅膏為負(fù)極，堿性鋅錳電池用的復(fù)合膜為隔膜，與不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極一起分別裝配成扣式鋅空氣電池樣品。用恒阻放電法測定其放電性能，放電電阻為680Q，終止電壓為0.9V。2  結(jié)果與討論2.1 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極透氣性的影晌為了考察不同空氣擴(kuò)散電極結(jié)構(gòu)對(duì)其透氣性能的影響，電極的化學(xué)組成和制作工藝條件都相同的條件下，對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極E1、

6、E2、E3和E4分別進(jìn)行透氣性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1 不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極的透氣性能由表1可見，排水體積由大到小依次為El、E2、E3和E4，這說明單層膜電極E1的透氣性能最好，雙層膜電極E2次之，雙層膜電極E3第三， 三層膜電極E4的透氣性最差。這是因?yàn)镋1只有一層防水透氣膜，內(nèi)阻和傳質(zhì)阻力最小；E4包含兩層防水透氣膜和一層催化膜，層數(shù)最多，傳質(zhì)阻力最大，因而 空氣擴(kuò)散性最差。E2和E3相比較，由于前者具有網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)的集流體直接與空氣接觸，減小了氣相傳質(zhì)阻力，因而透氣性稍好于后者。2.2 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極電性能的影響為了考察不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極與其電性能的影響，我們用三電極體

7、系分別測定了四種空氣擴(kuò)散電極的穩(wěn)態(tài)電流一電壓極化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示， 在相同的極化電位下，放電電流密度由大到小依次為E1、E2、E3和E4。這可能是因?yàn)镋1只有單層的催化透氣膜存在，空氣擴(kuò)散性相對(duì)最好，所以其放電電 流密度最大；E4有兩層防水透氣膜和一層催化膜，空氣擴(kuò)散性相對(duì)最差，氣相傳質(zhì)阻力相對(duì)最大，氣體在催化劑表面的擴(kuò)散和吸附受阻，氣體流量不能給電化學(xué)反 應(yīng)提供足夠的氧氣，從而使電極的極化內(nèi)阻增大，影響催化劑的催化性能和效率，故其放電電流密度最??；電極E2的透氣性稍好于電極E3，在反應(yīng)區(qū)域能形成更 多的三相反應(yīng)界面，故前者的電流密度稍大于后者。圖3 不同結(jié)構(gòu)空氣擴(kuò)散電極的穩(wěn)態(tài)電流-電壓

8、極化曲線由圖3還可以看出，在低電流密度區(qū)域，四種不同結(jié)構(gòu)電極的極化程度相差并不大，隨著電流密度的增大，透氣性較差的電極表現(xiàn)出更大的陰極極化，表 明電極的透氣性對(duì)電極的性熊有顯著的影鐫，在低電流密度下影響較小，在高逛流密度下影漩較大，應(yīng)裰據(jù)電祓的不霹應(yīng)震場合來籍備具有相應(yīng)透氣性能的空氣擴(kuò)散電極。2.3 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極漏液性能的影響為了考察結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極防漏液性能的影響，將其分割組裝成擺式鋅空氣電濁，觀察結(jié)果如表2所示，三層膜空氣擴(kuò)散電極E4具有較好的防漏液性能，這是因?yàn)槠淇諝鈹U(kuò)散電極有兩層防水透氣膜，大大提高了鋅空氣邀波麓蒴漏液性能。單層膜趣極翡防漏液性能相對(duì)較差。表2 不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)

9、散電極對(duì)漏液的影響2.4 結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極所褥扣式鋅空氣電池放電性能影響為了考察結(jié)構(gòu)對(duì)空氣擴(kuò)散電極所得扣式鋅空氣電極放電性能的影響，我們以相同的制造工藝、鋅膏負(fù)極質(zhì)最、隔膜材料和電池殼，分別與不同結(jié)構(gòu)的空氣擴(kuò)散電極裝配成扣式鋅空氣電池，用恒阻放電法瀏定其放電性能，放電電阻為680Q，終止電壓為0.9V，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，具有雙層膜電極E2的扣式鋅空氣電池放電時(shí)間為226h，平均工作電壓為1.21V，這是因?yàn)殡姌OEl在放電過程中漏液現(xiàn)象較 明顯，降低了三相界面的使用效率，因而放電性能較差；E4雖然在放電過程中無漏液現(xiàn)象，但由于其空氣擴(kuò)散電極的層數(shù)較多，空氣擴(kuò)散性差，故其放電性能較 差；由于扣式鋅空氣電池使用小電流放電，空氣擴(kuò)散電極透氣性對(duì)電極的性能影響較小，所以雙層膜電極E2和E3呈現(xiàn)較高的平均工作電壓；而雙層膜電極E2和 E3相比較，由于在電極E2的結(jié)構(gòu)中，集流網(wǎng)被放餐在疏水層一側(cè)，使電解液對(duì)集流網(wǎng)的腐蝕減少到最?。煌瑫r(shí)，疏水層與催化層直接接觸，在壓力作用下結(jié)合較 好，避免出現(xiàn)電極剝離的情況，延長了電極的使用壽命，故具有最長的放電時(shí)間。圖4 扣式