铝空气电池空气电极结构及寿命的研究
发布时间：2021-11-05 11:33
在不断发展的现代社会,人类对于能源需求的增长以及现有能源资源日趋减少的矛盾形成了能源的危机,因此可再生能源及清洁能源技术的开发显得尤为重要。铝空气电池作为一种金属空气电池,它的比能量高,原理简单,制造成本低,原材料来源丰富且廉价,是理想的清洁能源。不过铝空气电池在产业化的过程当中还存在着一些问题,首要问题是空气电极的使用寿命较低,电极易发生极化,并且空气电极容易发生渗液现象。针对这些问题,本文采用铝空气电池单体电池强制放电的测试方法,研究了空气电极长时间工作的寿命,并进行了空气电极的物理表征和电化学性能的测试。通过对铝空气电池空气电极长时间工作后的测试发现,空气电极中负责核心反应的催化层发生了较大程度的开裂,造成电解液的溢流,同时催化层和扩散层表面残留了较多的电解液结晶产物,造成电极结构的分层和堵塞。扩散层部位的开裂,及疏水性的下降,导致电解液的渗漏。针对空气电极的使用寿命低下问题,对空气电极的孔道结构和内部亲疏水性进行了优化改性,选择使用了草酸铵造孔剂用于扩散层,改善内部的孔道结构。结果表明采用造孔剂含量为10%的草酸铵造孔剂可以有效地提升空气电极的电极性能,使得单电池电压在100 ...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝空气电池实物图[5]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-相对于锂离子电池，若将铝空气电池用于电动车的动力能源可以获得较长的续航里程并且大大缩短了充电时间。碱性电解液的设计也能够规避锂离子电池有机电解液温度耐受性低的特点，提高电池体系的安全性能，同时电解液中发生的反应并无有害物质产生，不会污染环境。此外，相对传统锂离子电池中较为昂贵的钴资源，铝资源极为丰富，有着较大的成本优势，并且有机构[7]已经尝试进行从铝空气电池废弃电解液重新制备回收高纯氧化铝的研究，从而进行能源的二次利用。1.2铝空气电池简介1.2.1铝空气电池基本原理铝空气电池由铝合金阳极（负极）、空气电极（正极）、中性或碱性电解液及电池壳体构成，其结构如图1-2所示。在放电过程中，金属铝作为负极在电解液中溶解生成Al(OH)3，负极为多孔气体扩散电极，氧气进入空气电极发生还原反应生成OH-，在这个过程中金属铝中大量的化学能转化为电能。电池工作时，负极的铝被氧化，失去电子；正极的氧气被还原，得到电子。负极的电子通过外电路流向正极而产生电流。图1-2铝空气电池结构示意图[8]铝空气电池发生电池反应时的反应式如下：负极反应：Al→3e-+Al3+（1-1）
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-图1-3不同合金在NaCl溶液腐蚀24h后的形貌图[24](a)Al;(b)Al-5Zn;(c)Al-5Zn-0.2SnMa等人[27]进行了Al-Zn-In-Mg-Ti-Ce合金阳极在3.5wt%的NaCl溶液中浸泡不同时间的原位腐蚀分析测定（图1-4所示），该分析测定出腐蚀初始的主要沉淀物是MgZn2和Al2CeZn2相，从图中可以看出随着浸泡时间的延长，金属表面的腐蚀从点状腐蚀开始，腐蚀位置逐渐发散，这是由于这两种金属相对于Al的电势较负，因此可以充当腐蚀中心并导致点蚀。图1-4Al-Zn-In-Mg-Ti-Ce合金在3.5wt%NaCl溶液不同浸泡时间的形貌图[27](a)0min;(b)2min;(c)30min;(d)24h
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于孔隙尺度研究梯度孔隙率结构对固液相变的影响[J]. 李佳阳,陈宝明,张艳勇,张自仕. 区域供热. 2020(02)
[2]铝空气电池电解液制备高纯氧化铝的工艺研究[J]. 施辉献,史春阳,杨亚刚,屈亚松,张磊,俞小花,谢刚. 有色金属科学与工程. 2020(01)
[3]铝空气电池系统设计及放电特性研究[J]. 柯浪,胡广来,冯育俊,徐俊毅,和晓才. 电源技术. 2019(02)
[4]高比能铝空气电池研究进展[J]. 孙丁武,林维捐,谢银斯,邱树恒,何国强. 电源技术. 2019(01)
[5]Ce对铝-空气电池阳极电化学活性及自腐蚀的影响[J]. 孟旭,李耀宗,王益成,张立静,王为. 化学工业与工程. 2018(06)
[6]铝-空气电池的研究进展[J]. 宋时莉,李黎明,魏海兴. 电源技术. 2018(09)
[7]铝空气电池阳极材料的研制[J]. 黄宇芬,侯玙杰,陈思宇,李金禹,叶远贵,孙苗,李东平. 化学工程师. 2017(09)
[8]铝-空气电池的研究进展[J]. 熊亚琪,刘常青,周敏嘉. 电池. 2014(02)
[9]聚四氟乙烯材料相关标准现状与趋势[J]. 夏俊,王学军,王维东. 塑料工业. 2014(04)
[10]大功率铝空气电池堆结构设计综述[J]. 赵少宁,李艾华,蔡艳平,李庆辉. 电池工业. 2013(Z2)
博士论文
[1]气体扩散电极电解二氧化锰的节能机理与长寿化研究[D]. 唐静.北京科技大学 2017
硕士论文
[1]碱性铝空气电池电极研究[D]. 杨文通.太原理工大学 2017
[2]铝空气电池电解液和循环系统的研究[D]. 朱明华.哈尔滨工业大学 2017
[3]金属（铝、镁）/空气电池的结构与性能研究[D]. 韩斌.河北工业大学 2007
本文编号：3477719
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铝空气电池实物图[5]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-2-相对于锂离子电池，若将铝空气电池用于电动车的动力能源可以获得较长的续航里程并且大大缩短了充电时间。碱性电解液的设计也能够规避锂离子电池有机电解液温度耐受性低的特点，提高电池体系的安全性能，同时电解液中发生的反应并无有害物质产生，不会污染环境。此外，相对传统锂离子电池中较为昂贵的钴资源，铝资源极为丰富，有着较大的成本优势，并且有机构[7]已经尝试进行从铝空气电池废弃电解液重新制备回收高纯氧化铝的研究，从而进行能源的二次利用。1.2铝空气电池简介1.2.1铝空气电池基本原理铝空气电池由铝合金阳极（负极）、空气电极（正极）、中性或碱性电解液及电池壳体构成，其结构如图1-2所示。在放电过程中，金属铝作为负极在电解液中溶解生成Al(OH)3，负极为多孔气体扩散电极，氧气进入空气电极发生还原反应生成OH-，在这个过程中金属铝中大量的化学能转化为电能。电池工作时，负极的铝被氧化，失去电子；正极的氧气被还原，得到电子。负极的电子通过外电路流向正极而产生电流。图1-2铝空气电池结构示意图[8]铝空气电池发生电池反应时的反应式如下：负极反应：Al→3e-+Al3+（1-1）
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-图1-3不同合金在NaCl溶液腐蚀24h后的形貌图[24](a)Al;(b)Al-5Zn;(c)Al-5Zn-0.2SnMa等人[27]进行了Al-Zn-In-Mg-Ti-Ce合金阳极在3.5wt%的NaCl溶液中浸泡不同时间的原位腐蚀分析测定（图1-4所示），该分析测定出腐蚀初始的主要沉淀物是MgZn2和Al2CeZn2相，从图中可以看出随着浸泡时间的延长，金属表面的腐蚀从点状腐蚀开始，腐蚀位置逐渐发散，这是由于这两种金属相对于Al的电势较负，因此可以充当腐蚀中心并导致点蚀。图1-4Al-Zn-In-Mg-Ti-Ce合金在3.5wt%NaCl溶液不同浸泡时间的形貌图[27](a)0min;(b)2min;(c)30min;(d)24h
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于孔隙尺度研究梯度孔隙率结构对固液相变的影响[J]. 李佳阳,陈宝明,张艳勇,张自仕. 区域供热. 2020(02)
[2]铝空气电池电解液制备高纯氧化铝的工艺研究[J]. 施辉献,史春阳,杨亚刚,屈亚松,张磊,俞小花,谢刚. 有色金属科学与工程. 2020(01)
[3]铝空气电池系统设计及放电特性研究[J]. 柯浪,胡广来,冯育俊,徐俊毅,和晓才. 电源技术. 2019(02)
[4]高比能铝空气电池研究进展[J]. 孙丁武,林维捐,谢银斯,邱树恒,何国强. 电源技术. 2019(01)
[5]Ce对铝-空气电池阳极电化学活性及自腐蚀的影响[J]. 孟旭,李耀宗,王益成,张立静,王为. 化学工业与工程. 2018(06)
[6]铝-空气电池的研究进展[J]. 宋时莉,李黎明,魏海兴. 电源技术. 2018(09)
[7]铝空气电池阳极材料的研制[J]. 黄宇芬,侯玙杰,陈思宇,李金禹,叶远贵,孙苗,李东平. 化学工程师. 2017(09)
[8]铝-空气电池的研究进展[J]. 熊亚琪,刘常青,周敏嘉. 电池. 2014(02)
[9]聚四氟乙烯材料相关标准现状与趋势[J]. 夏俊,王学军,王维东. 塑料工业. 2014(04)
[10]大功率铝空气电池堆结构设计综述[J]. 赵少宁,李艾华,蔡艳平,李庆辉. 电池工业. 2013(Z2)
博士论文
[1]气体扩散电极电解二氧化锰的节能机理与长寿化研究[D]. 唐静.北京科技大学 2017
硕士论文
[1]碱性铝空气电池电极研究[D]. 杨文通.太原理工大学 2017
[2]铝空气电池电解液和循环系统的研究[D]. 朱明华.哈尔滨工业大学 2017
[3]金属（铝、镁）/空气电池的结构与性能研究[D]. 韩斌.河北工业大学 2007
本文编号：3477719
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