鎂空氣電池材料研究進(jìn)展鎂空氣電池材料研究進(jìn)展目錄/

contents1鎂空氣電池簡(jiǎn)介23鎂空氣電池的發(fā)展方向鎂空氣電池的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀目錄/contents1鎂空氣電池簡(jiǎn)介23鎂空氣電池的發(fā)Part1鎂空氣電池簡(jiǎn)介

Part1

表一幾種電池的電壓和能量密度對(duì)比Table1Volatgeandenergedensitycomparisonofselectedbatteries

金屬空氣電池

金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池，它是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。具有能量密度高、安全、污染小等特點(diǎn)。主要包括鋰空氣電池、鎂空氣電池、鋁空氣電池、鋅空氣電池等。

表

鎂空氣電池工作原理水體系：陽極：Mg-2e-=Mg2+陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)：2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2非水體系：陽極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2e-=O22-或O2+4e-=2O2-總反應(yīng)：Mg+O2=MgO2或2Mg+O2=2MgO圖一鎂空氣電池的典型結(jié)構(gòu)和工作原理Fig.1TypicalstructureandworkingprincipleofMg-airbattery

鎂空氣電池工作原理水體系：圖一鎂空氣電池鎂空氣電池的優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜清潔、安全壓降小、放電電壓穩(wěn)定理論電壓和能量密度高鎂空氣電池的優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜Part2

鎂空氣電池研究及應(yīng)用現(xiàn)狀Part2

鎂空氣電一、鎂陽極鎂合金化

將鎂與其它金屬如Al，Mn，Zn等形成合金，減少鎂陽極的腐蝕，提升電池的性能提升鎂自身的性能

純度—高純度鎂（99.99%）作為陽極可以比某些合金的腐蝕率更低形態(tài)

微/納米結(jié)構(gòu)

增大比表面積，加速反應(yīng)加速M(fèi)g(OH)2沉淀一、鎂陽極鎂合金化增大比表面積，加速反應(yīng)表二鎂陽極的分類Table2TypesofMganodeforMg-airbatteries表二鎂陽極二、電解液鎂空氣電池的高極化和低庫倫效率不僅與電極有關(guān)也與電解液密切相關(guān)，因此選擇一種合適的電解液也是至關(guān)重要的。關(guān)于電解液的研究主要有以下幾個(gè)方面：電解質(zhì)溶液的PH，溶液中陰離子的種類，溶液濃度等。二、電解液三、空氣電極鎂空氣電池的性能與空氣電極密切相關(guān)。典型的空氣電極有四層組成：疏水層，氣體擴(kuò)散層，催化層和電流收集層?，F(xiàn)在關(guān)于空氣電極的研究主要圍繞氣體的有效擴(kuò)散以及合適的高效催化劑等。三、空氣電極中性水溶液中可能的氧還原路徑為：

O2+2H2O+4e-=4OH-

O2+H2O+2e-=HO2-+OH-HO2-+H2O+2e-=3OH-

2HO2-=2OH-+O2

副反應(yīng)的發(fā)生減緩了氧還原過程，因此需要有一種高效的催化劑，提高反應(yīng)活性，加快反應(yīng)速度。

中性水溶液中可能的氧還原路徑為：類型催化劑性能貴金屬Pt,Pt-alloys,催化活性高，過電壓低Pd,Cu,Ag…4e-反應(yīng)過程

碳基材料nanotubes,graphene催化活性接近Pt，穩(wěn)定性N-dopednanotubes好，類似4e-反應(yīng)過程

過渡金屬氧化物Co3O4/r-GO,MnCoO/r-GO催化活性與Pt相當(dāng)，4e-反應(yīng)過程，有希望成為Pt的替代品

含氮金屬復(fù)合物FeTMPP/C,CoTMPP/C催化活性與Pt/C相當(dāng)4e-反應(yīng)過程

表三催化劑的種類Table3TypesofcathodecatalystsforMg-airbatteries類型四、應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在鎂空氣電池的主要應(yīng)用包括三方面，一是作為備用電源，在緊急情況下使用；二是為一些海下設(shè)備提供電能，三是軍事上的應(yīng)用。挪威和意大利曾合作開發(fā)出一種鎂空氣燃料電池，用于海上的油田勘探設(shè)備，這種電池的能量密度達(dá)到650KWh,使用壽命為15年。四、應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在鎂空氣電池的主要應(yīng)用包括三方面，雅安地震發(fā)生后，中科院大連物化所緊急向?yàn)?zāi)區(qū)提供了500多臺(tái)大容量、高比容量鎂/空儲(chǔ)備電源。該電源可提供長達(dá)一個(gè)月的電力供應(yīng)，可在災(zāi)區(qū)作為帳篷照明燈、手機(jī)充電器等小型設(shè)備應(yīng)急移動(dòng)電源，為災(zāi)后救援提供長時(shí)間照明、通訊等保障，有效解決大面積電力中斷帶來的影響。雅安地震發(fā)生后，中科院大連物化所緊急向?yàn)?zāi)區(qū)提供了500多臺(tái)大Part3鎂空氣電池的發(fā)展方向Part3鎂空氣電池性能優(yōu)異，有著廣闊的發(fā)展空間，未來對(duì)其研究主要圍繞著以下兩個(gè)方面：1.進(jìn)一步提升鎂合金的性能，提高鎂陽極的使用效率；尋找催化活性強(qiáng)，耐用性強(qiáng)，成本低的催化劑，優(yōu)化空氣電極的結(jié)構(gòu)；研究性能優(yōu)異穩(wěn)定的電解液體系。2.現(xiàn)在的鎂空氣電池基本都是一次電池，關(guān)于可充電的鎂空氣電池的還急需發(fā)展。鎂空氣電池性能優(yōu)異，有著廣闊的發(fā)展空間，未來對(duì)1.ZhangT,TaoZ,ChenJ.Magnesium–airbatteries:fromprincipletoapplication[J].Mater.Horiz.,2014,1:AdvanceArticle.2.ZhangL,HouZ,YeX,etal.TheeffectofselectedalloyingelementadditionsonpropertiesofMg-basedalloyasbioimplants:Aliteraturereview[J].FrontiersofMaterialsScience,2013,7(3):227-236.3.GhaliE,DietzelW,KainerK.GeneralandLocalizedCorrosionofMagnesiumAlloys:ACriticalReview[J].JournalofMaterialsEngineering&Performance,2013,volume13(1):7-23(17).4.DuJ,WangZ,NiuY,etal.DoubleliquidelectrolyteforprimaryMgbatteries[J].JournalofPowerSources,2014,247(3):840–844.5.SaminathanK,MayilvelDineshM,SelvamM,etal.Watersolublegrapheneaselectrolyteadditiveinmagnesium-airbatterysystem[J].JournalofPowerSources,2015:32–38.參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：THANKSTHANKS鎂空氣電池材料研究進(jìn)展鎂空氣電池材料研究進(jìn)展目錄/

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Part1

表一幾種電池的電壓和能量密度對(duì)比Table1Volatgeandenergedensitycomparisonofselectedbatteries

金屬空氣電池

金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池，它是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能。具有能量密度高、安全、污染小等特點(diǎn)。主要包括鋰空氣電池、鎂空氣電池、鋁空氣電池、鋅空氣電池等。

表

鎂空氣電池工作原理水體系：陽極：Mg-2e-=Mg2+陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)：2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2非水體系：陽極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2e-=O22-或O2+4e-=2O2-總反應(yīng)：Mg+O2=MgO2或2Mg+O2=2MgO圖一鎂空氣電池的典型結(jié)構(gòu)和工作原理Fig.1TypicalstructureandworkingprincipleofMg-airbattery

鎂空氣電池工作原理水體系：圖一鎂空氣電池鎂空氣電池的優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜清潔、安全壓降小、放電電壓穩(wěn)定理論電壓和能量密度高鎂空氣電池的優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)量豐富、價(jià)格便宜Part2

鎂空氣電池研究及應(yīng)用現(xiàn)狀Part2

鎂空氣電一、鎂陽極鎂合金化

將鎂與其它金屬如Al，Mn，Zn等形成合金，減少鎂陽極的腐蝕，提升電池的性能提升鎂自身的性能

純度—高純度鎂（99.99%）作為陽極可以比某些合金的腐蝕率更低形態(tài)

微/納米結(jié)構(gòu)

增大比表面積，加速反應(yīng)加速M(fèi)g(OH)2沉淀一、鎂陽極鎂合金化增大比表面積，加速反應(yīng)表二鎂陽極的分類Table2TypesofMganodeforMg-airbatteries表二鎂陽極二、電解液鎂空氣電池的高極化和低庫倫效率不僅與電極有關(guān)也與電解液密切相關(guān)，因此選擇一種合適的電解液也是至關(guān)重要的。關(guān)于電解液的研究主要有以下幾個(gè)方面：電解質(zhì)溶液的PH，溶液中陰離子的種類，溶液濃度等。二、電解液三、空氣電極鎂空氣電池的性能與空氣電極密切相關(guān)。典型的空氣電極有四層組成：疏水層，氣體擴(kuò)散層，催化層和電流收集層?，F(xiàn)在關(guān)于空氣電極的研究主要圍繞氣體的有效擴(kuò)散以及合適的高效催化劑等。三、空氣電極中性水溶液中可能的氧還原路徑為：

O2+2H2O+4e-=4OH-

O2+H2O+2e-=HO2-+OH-HO2-+H2O+2e-=3OH-

2HO2-=2OH-+O2

副反應(yīng)的發(fā)生減緩了氧還原過程，因此需要有一種高效的催化劑，提高反應(yīng)活性，加快反應(yīng)速度。

中性水溶液中可能的氧還原路徑為：類型催化劑性能貴金屬Pt,Pt-alloys,催化活性高，過電壓低Pd,Cu,Ag…4e-反應(yīng)過程

碳基材料nanotubes,graphene催化活性接近Pt，穩(wěn)定性N-dopednanotubes好，類似4e-反應(yīng)過程

過渡金屬氧化物Co3O4/r-GO,MnCoO/r-GO催化活性與Pt相當(dāng)，4e-反應(yīng)過程，有希望成為Pt的替代品

含氮金屬復(fù)合物FeTMPP/C,CoTMPP/C催化活性與Pt/C相當(dāng)4e-反應(yīng)過程

表三催化劑的種類Table3TypesofcathodecatalystsforMg-airbatteries類型四、應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在鎂空氣電池的主要應(yīng)用包括三方面，一是作為備用電源，在緊急情況下使用；二是為一些海下設(shè)備提供電能，三是軍事上的應(yīng)用。挪威和意大利曾合作開發(fā)出一種鎂空氣燃料電池，用于海上的油田勘探設(shè)備，這種電池的能量密度達(dá)到650KWh,使用壽命為15年。四、應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)在鎂空氣電池的主要應(yīng)用包括三方面，雅安地震發(fā)生后，中科院大連物化所緊急向?yàn)?zāi)區(qū)提供了500多臺(tái)大容量、高比容量鎂/空儲(chǔ)備電源。該電源可提供長達(dá)一個(gè)月的電力供應(yīng)，可在災(zāi)區(qū)作為帳篷照明燈、手機(jī)充電器等小型設(shè)備應(yīng)急移動(dòng)電源，為災(zāi)后救援提供長時(shí)間照明、通訊等保障，有效解決大面積電力中斷帶來的影響。雅安地震發(fā)生后，中科院大連物化所緊急向?yàn)?zāi)區(qū)提供了500多臺(tái)大Part3鎂空氣電池的發(fā)展方向Part3鎂空氣電池性能優(yōu)異，有著廣闊的發(fā)展空間，未來對(duì)其研究主要圍繞著以下兩個(gè)方面：1.進(jìn)一步提升鎂合金的性能，提高鎂陽極的使用效率；尋找催化活性強(qiáng)，耐用性強(qiáng)，成本低的催化劑