碱性锌空气电池的研究进展

　　碱性锌空气电池的研究进展褚有群，马淳安，张文魁浙江工业大学应用化学系，浙江杭州332度低，且电池性能受外界环境影响大，使其应用和发展受到了极大的限制。对近年来国内外在氧还原电催化剂空气电极结构空气预处理技术及锌电极结构方面的研究进展发展前景进行了讨论。

　　碱性锌空气电池的历史可追溯到20世纪30年代。这种电池具有比能量高理论比能量达1350评1岵工作电压平稳。

　　原材料廉价易得等优点。长期以来成为研宄的目标121.但到目前为止锌空气电池仅在助听器。传呼器。电子等小功率电器中应用3.便携电器的大量涌现和世界范围电动汽车热的出现，为高比能量锌空气电池的实用化研宄提供了契机1 1碱性锌空气电池的研究进展1.1氧还原电催化剂为降低正极反应过程的电化学极化。人们对氧还原反应电催化剂进行了广泛的研宄。大致有以下几类贵金属及其合金金属有机络合物金属氧化物和碳13.

　　最早用作氧还原电催化剂的是碳3但其催化活性相当低。到目前为止，贵金属柏是研究得最多。且催化活性和稳定性最好的电催化剂。早期的空气电极以纯钿黑为催化剂，铂负载量超过也打后来采用碳黑负载柏的技术使得铂负载量降至05172以下1但由于柏的价格十分昂贵，从而使其，群1刃。男。浙江宁海人。浙江工业大学项士生研究方向化学电源马淳安1.巧浙江东阳人浙江工业大学教枕博士生手师，1究方向能源电化学，电化学合成，电窄化等。，fW，9，9HA.，rfef.4ft，难以实现大规模应用，因此进步降低柏的负载量及开发其他高性能的廉价催化剂是制成高性价比的实用化空气扩散电极化剂沉积技术使铂微晶高度分散是既保持其催化活性不变又他减少1量的有效手段71.，等对粒径5仳化活性之间的关系进行研宄后发现粒径减小使得钿对电解液中氧化态物质的吸附作用，强而导致其催化活性降低，因此对钿粒径进行控制有利于提高怕的催化活性。另外柏与过渡金属形成的元元合金具有较高的催化活性。有的甚至超过了纯柏10.柏合金电催化活性，强的原因有多种。如相邻钿原子间距减小形成。！1巧型钼等161.

　　尽管氧电极中铂负载量己经降至很低，但为了确保催化活性，很难进步大幅度降低其用量。长期以来，含有个原子的过渡金属螯合物被认为有希望取代铂而作为空气电极催化剂如林，抒及库衍生物常目的过攸金，有1心等⑴叫以过渡金属螯合物为催化剂的空气电极具有良好的放电特性贮存性能及较高的工作电压，如以苯某卟啉络钴，丁1为催化剂制成的仝气电极在201下以50，1 2放电时的过电位约为1工作寿命可达7 0003.此种催化剂适用于要求能够长期贮存小电流长期放电的电池中。如用作助听器电池的扣式电池121另类较有前途的氧还原电催化剂是金属氧化物。其中，猛氧化物是研宄最多的单金属氧化物催化剂12+47但以猛5以。只能用于制作小功率的锌空气电池，如扣式电池和小型圆柱电池而些怕族氧化物如1出，2.沮具有较高的催化活14，但在强碱性介质中稳定性较差91.除单金属氧化物外。尖晶石型922配钛石型122251等复合金属氧化物，由于具有较高的催化活性且价格便宜而受到了广泛关注。此类氧化物另优点在于它们对析氧反应和氧还原反应均具有较高的催化活性。因此可以用作双功能氧电极催化剂。其中具，1.1.1对，进行部分取代。不仅以提，其催化沾1.几能够提高其稳定性；对于8区，此类氧化物在碱性介质中对氧心因此只有当，1时氧化物才兼具较好的催化活性和化学稳定性23.但从总体上来说，此类催化剂的稳定性尚有待于进步提高1巧发明的空气扩散控制⑶义旧在很大程度上解决了这问。其工作原理1.，入肘由密封外壳两根细长的扩散管。微型风扇和控制电路组成，锌空气电池置于密封外壳内。当风扇关闭时。空气按，扩散定律进出密封外壳。通过对扩散管长径比的优化可在确保电池工作性能的情况下使密封壳体内外的物质交换最小化。电池工作时，由于密封壳内氧浓度随电池反应进行而降低，导致电池电压下降，当达到某设定值时。控制电路打开风扇，驱动空气通过扩散管进入和排出密封外壳。当电池电压回升到定值后。风扇自动关闭，如此重复进行。采用，人厘技术后，激活态的锌空气电池在相对湿度为3070的环境中存放两年后尚能放出80的容量。2为人。能源公司采用，人厘技术制成的404型移动电话电池和普通锌空气电池在激活态下的贮存性能对比。

　　另外，添加些适当的助剂可以影响主催化剂的物理化学性质，提高主催化剂的催化活性。研究明，1.的氧化物具有较高的储氧能九其特定部位上结合的氧原子可以随氧分压的变化自由地进出，从而使得主催化剂周围保持定的氧浓度。达到降低氧电极过电位的目的；另外这类氧化物还能促进贵金属催化剂的分提高有效催化活性面291.因此。选择具有较高氧吸附和交换能力的物质作为助剂可对氧起到富集和活化作用，从而强化氧的电还原过程，这是个非常值得重视的氧还原电催化剂的研宄方向，1.2空气电极结构空气电极反应是在气。固液相界面上进行，电极内部能否形成尽可能多的有效相界面将影响催化剂的利用率和电极的。过程。1等研究得出催层能形成有效相界面的孔径在021之间。为了制成具有均匀微孔结构的2气电极。通常在催化。加，音付的造孔剂3121.

　　如，414，等。另外。文献3334绍十新的造孔剂添加和除去方法，由此制得的电极内部具有沿厚度方向排列的孔道。从而缩短了物质传递路径，减小了传递阻力。

　　1.3空气的预处理所有电池均以0.5人进行恒流放电，终止电压为3.3，漠式空气驱动装置而山哗1；1.1.以矜代1中的风扇。其原理类似于扬声器，隔膜在电磁铁的作用下发生振动，从而达到驱动周围空气的目的。这种装置由于结构简单且无可转动的零件，从而使之与风扇相比具有价格便宜尺寸小静音及高可靠性等优点。人只公司正在申请这种隔膜式空气驱动装置的专利。

　　困扰碱性锌空气电池发展的另障碍是电池在激活态下易受环境的影响而发生电解液的干涸或吸潮及碳酸盐化。

　　空气中的，2可用化学吸收的方法去除。常用的吸收剂有碱石灰乙醇胺等；另外，也有采用分子筛或，8合金膜来去除1.4锌电极结构理论上。锌空气电池的容量取决于锌电极，由于至今尚未研制出长寿命的双功能空气电极。使得锌空气电池无法如普通次电池那样充电。为此，人们提出了多种解决方。如采用第极混合空气电极循环活性物质及机械再充等。其中以循环活性物质和机械再充的设计方法较为适用。

　　循环活性物质锌空气电池是用泵将锌粉与电解液形成的，23减少锌空气电池外壳中气孔的数量和直径是降低外界环境对电池性能影响的种有效方如在扣式电池中气孔面积仅占正极侧外壳的1左右。但这同样限制了正极活性物后。被送至电解槽中。经还原处理后再送入电池。由于充电在电池外部进行。从而可实现活性物质的快速还原；另外，电解液厂工作。正因为具有上述优点。许多科研机构对这种电池体系进行了详细的研宄，其中以法国，公司设计的电池的综合性能最好。但此种电池的能量转换效率仅40左右。制约了其实际应用。，心1对0体系的电解液组成活性物质再生方法等进行了改进。大大提高了其能量效率39.目前此种电池的比能量达5评1左右Airin！ei空气进口空气电树锌填充床铜网多孔板正卿美国设计出了种以锌粒填充床为阳极的机械再充式锌空气电池其结构314451.在这种电池中。锌电极的周设，电觯液通选放电时。巾于锌的涪解守，荇粒填充床内部电解液的密度高于通道中的电解液，在密度差的作用下电另外碱性锌空气牵引电池的研制取得了很大的进展，以此取代低比能量且对环境存在危害的铅酸电池应指日可待。近年来，锌空气电池再次引起了国内科研宄机构和企业的关注。以锌空气电池制成的移动电话电池块己在国内市场出现。其通话时间比目前普遍使用的镍氢电池锂离子电池长510倍。待机时间长达451以上，具有良好的发展前景。

　　1 800，5宋文顺。化学电源工艺学刖。，却叩北京2李国欣。新型化学电源导论肘。33叫，1上海解液发生自然对流。从而提高了电极内部的传质速度，在此种电池中，无须外加动力驱动电解液。从而使电池结构简化降低了电池辅助系统的能耗，提高了能量效率。按此种方法设计成达33谓1.

　　动从电池上部的加料室进入楔形阳极室。通过局831抓8肛131公交车对这种锌空气牵引电池进行了性能测试，其每电里的记1电费比酸电池低16比能4；丑140评。

　　在，国，邮政车队和炎进了性能测试141.德国的测试结果199598明，在技术上锌空气电池完全可用于驱动中型汽车肘6，1688，12410，每次补充燃料后，可驱动汽车行驶400以上。美国电能研究所犯的初步评估结果动汽车的操作费用与目前的燃油汽车相当。

　　2发展前景碱性锌空气电池的高比能量低成本优势使其成为碱锰电池和普通锌锰干电池的最佳替代品，具有十分广阔的应用市场。国外在碱性锌空气电池的实用化研宄方面已取得了巨大格士格吕鸣祥。扣式锌空气电池的研，进展。1士，代13，叫恍8电源技术，1987，321 2以7腹1吴智远，3叩，1李升宪。空气电极应用研18七1七如李升宪，况010心，周贵茂，十叫艾2q七，1格李能，3以如李士杰，魈刚；叫孟宪平，时31超细瓜12；13，4和10102的合成及其在碱溶液中的电催化活性研究人。，18，16以化咖1名戚祖强，比1仇卫华。双功能氧电极1均涛。质子交换膜燃料电池的氧电极。，脱，1.努李瑛，徽如王林山。燃料电池峋。制扣塔北足3，吟188冶金工业出版社，200058.

　　3句收稿日期2002全国电池企业出口工作会议在上海举行本刊讯记者文力报道，2002年全国电池企业出口工作会议于2002年9月2426日在上海举行。更多报道将在电池快讯上刊出，敬请留意。