1、鋅空氣電池與鋰空氣電池報告人：趙嘯宇，端木凡朋從電池的工作原理與組成等方面介紹了鋅空氣 電池與鋰空氣電池的研究進展鋅-空氣電池 研究背景 工作原理 電池結構 工作特性：鋅-空氣電池的開發過程分為四代：基本的電極反應：以紐扣電池為例介紹基本結構：鋅-空氣電池工作時的特殊性質研究背景第一代 研發于20世紀30年代 體積較大，用于偏遠地點的電源 如：航標燈；鐵路信號燈第三代 03年研發成功，輸出中等功率，壽命為幾個月 采用注塑一體成型的外殼，環氧型黏結劑密封第四代 21世紀初開始研發 恢復大體積設計，有預先激活、水激活、凝膠電解質型三種電池第二代鋅-空氣電池紐扣電池 體積小，從紐扣到硬幣大小 上世紀

2、七十年代曾被作為助聽器商業化工作原理 鋅-空氣電池直接使用空氣中的氧氣參與產生電能的化學反應 負極：ZnZn2+2e Zn+2OH-Zn(OH)2+2e Zn(OH)2ZnO+H2O 正極：O2+2H2O+4e4OH- O2+H2O+2eO2H-+OH- O2H-OH-+12O2（ 速控步驟）簡化電池截面圖負極殼絕緣墊圈鋅負極隔膜正極正極殼金屬氧化物紐扣電池鋅空氣紐扣電池電池結構正極隔膜催化層金屬網疏水膜擴散膜空氣分散膜電池結構 負極內部將會預留15%-20%的體積為負極自由體積 催化層組分為碳與錳的氧化物混合所形成的導電介質 正極通過添加很細的聚四氟乙烯微粒，增加疏水性 金屬網構成結構支架，

3、并且作為集流體 疏水膜保持空氣和電解液之間的界面，能防止氣體透過和防止水的進入 空氣分散層可以把氧氣均勻地分散到正極表面工作特性 1）電池尺寸選擇性靈活 從紐扣、硬幣電池到大型方形電池，用于助聽設備的紐扣電池和軍用方形電池較多。 2）電壓穩定 額定開路電壓為1.4V，終止電壓一般為0.9-1.1V 3）體積比能量高 在所有紐扣電池中，鋅-空氣電池體積比能量最高。工作特性 4）放電特性：放電曲線平穩，放電電流越大，電壓越低 5）儲存壽命 通常用密封標簽密封住氣孔，防止氣體遷移進入電池引起電池性能的衰變；電池中鋅電極會發生自放電反應，因為鋅在堿性電解質中呈熱力學不穩定性，反應生成ZnO和H2, H

4、2 可以從密封簽中透過，防止電池變形。高溫和潮濕會顯著影響自放電速度。總結：缺點優點無環境問題放電電壓平穩比能量高成本低受環境控制活化后壽命短鋰-空氣電池研究背景原理及結構設計&性能一、研究背景一、研究背景1.近幾十年來近幾十年來,以金屬鋰為基礎的電池主導了高性能電池的發展以金屬鋰為基礎的電池主導了高性能電池的發展,這是因為在所有這是因為在所有的電池負極材料中的電池負極材料中,金屬鋰具有最低的密度金屬鋰具有最低的密度,高的電壓高的電壓,較好的電子電導及最高的較好的電子電導及最高的電化學當量。電化學當量。2.金屬金屬鋰鋰的比容量雖高達的比容量雖高達3860mAh.g-1 ，但大部分鋰離子

5、電池正極材料的電，但大部分鋰離子電池正極材料的電化學容量只有化學容量只有200mAh.g-1 左右。由于價格、安全性、比能量等方面的影響左右。由于價格、安全性、比能量等方面的影響,尋找比能量更高、更便宜的正極材料一直是鋰電池發展的方向。尋找比能量更高、更便宜的正極材料一直是鋰電池發展的方向。3.金屬空氣電池提供了很好的電化學性能金屬空氣電池提供了很好的電化學性能,包括鋅空氣電池、鎂空氣電池、鐵空包括鋅空氣電池、鎂空氣電池、鐵空氣電池、鈣空氣電池、鋰空氣電池等。在這些金屬空氣電池中氣電池、鈣空氣電池、鋰空氣電池等。在這些金屬空氣電池中,金屬負極儲存金屬負極儲存能量能量,正極空氣電極只是作為能量轉

6、換的工具正極空氣電極只是作為能量轉換的工具,氧氣來自空氣中氧氣來自空氣中,取之不盡取之不盡,這樣這樣也就帶來巨大的比能量也就帶來巨大的比能量,通常金屬空氣電池的理論比能量均在通常金屬空氣電池的理論比能量均在1000mAh.g-1以上。以上。 可以看出在所有的金屬空氣電池中鋰空氣電池無疑具有最高的比能量可以看出在所有的金屬空氣電池中鋰空氣電池無疑具有最高的比能量,鋰空氣電池驚人的能量密度將會在航天航空和移動能源等領域起到不鋰空氣電池驚人的能量密度將會在航天航空和移動能源等領域起到不可估量的作用。可估量的作用。幾種金屬空氣電池的特性幾種金屬空氣電池的特性二、原理二、原理&結構結構鋰空氣電池

7、兩大體系鋰空氣電池兩大體系1.非水性電解液鋰空氣電池非水性電解液鋰空氣電池兩個基本反應如下：兩個基本反應如下： 2Li+O2Li2O2 E=3.10V(1) 4Li+O22Li2O E=2.91V(2)負極金屬鋰在放電過程中氧化為鋰離負極金屬鋰在放電過程中氧化為鋰離子，溶于電解液，電解液中的鋰離子子，溶于電解液，電解液中的鋰離子擴散到正極，與被還原的氧氣反應生擴散到正極，與被還原的氧氣反應生成產物成產物Li2O2或或Li2O沉積在正極上。沉積在正極上。(1)為主反應為主反應,Li2O2為主產物。當放為主產物。當放電達到一定深度電達到一定深度(1V左右左右)，會有，會有 Li2O放電產物出現。放

8、電產物出現。反應產物反應產物Li2O2不溶于非不溶于非水性電解液，逐步堵塞水性電解液，逐步堵塞正極的孔隙，減少反應正極的孔隙，減少反應界面面積，阻礙反應物界面面積，阻礙反應物擴散至反應界面，從而擴散至反應界面，從而阻止反應的進一步進行阻止反應的進一步進行，使實際獲得的比容量，使實際獲得的比容量低于其理論值，同時還低于其理論值，同時還導致鋰空電池循環性能導致鋰空電池循環性能較差等不良結果。較差等不良結果。2. 雙性電解液鋰空氣電池雙性電解液鋰空氣電池于是催生出雙性電解液鋰空于是催生出雙性電解液鋰空氣電池，將電池正極側的非氣電池，將電池正極側的非水性電解液以水性電解液替水性電解液以水性電解液替代，

9、而負極側仍采用非水性代，而負極側仍采用非水性電解液，從而在不影響負極電解液，從而在不影響負極的同時，解決了正極反應產的同時，解決了正極反應產物不溶于電解液的問題，物不溶于電解液的問題，2. 雙性電解液鋰空氣電池雙性電解液鋰空氣電池基本反應如下：基本反應如下：2Li+1/2O2+2H+ 2Li+H2O (3)2Li+1/2O2+H2O 2LiOH (4)其中反應式其中反應式(3)為酸性溶液中的為酸性溶液中的反應方程式，反應式反應方程式，反應式(4)為中性為中性或堿性溶液中的反應方程式。或堿性溶液中的反應方程式。反應平衡電位均高于非水性電反應平衡電位均高于非水性電解液反應的平衡電位，分別為解液反應

10、的平衡電位，分別為4.274V 和和3.446V。隔膜催化劑充電時電極反應如下充電時電極反應如下:（1）負極反應）負極反應 Li+e-Li通過導線供應電子，鋰離子通過導線供應電子，鋰離子Li+由正極的水性電解液穿過隔膜由正極的水性電解液穿過隔膜到達負極表面，在負極表面發到達負極表面，在負極表面發生反應生成金屬鋰。生反應生成金屬鋰。（2）正極反應）正極反應 4OH-O2+2H2O+4e-反應生成氧，產生的電子供應反應生成氧，產生的電子供應給導線。給導線。隔膜催化劑二、原理二、原理&結構結構結構組成結構組成1. 陽極陽極典型陽極是集流體承載的金屬典型陽極是集流體承載的金屬鋰，制備簡單，性能

11、良好。進鋰，制備簡單，性能良好。進一步的設計采用了保護層，保一步的設計采用了保護層，保護層常采用陶瓷或玻璃鋰離子護層常采用陶瓷或玻璃鋰離子導體，這種保護金屬鋰電極在導體，這種保護金屬鋰電極在水性、非水性溶液中都很穩定水性、非水性溶液中都很穩定。2.陰極陰極&催化劑催化劑空氣電極典型制備是空氣電極典型制備是把碳、黏結劑、催化把碳、黏結劑、催化劑通過涂膜、浸漬或劑通過涂膜、浸漬或壓制等方法承載在集壓制等方法承載在集流體上。更進一步，流體上。更進一步，也可用襯底來提高表也可用襯底來提高表面積，或在陰極外表面積，或在陰極外表面放上透氣膜防止水面放上透氣膜防止水分進入電池內。分進入電池內。3.電解質電解質&隔膜隔膜鋰空氣電池常用隔膜有聚烯烴隔膜、玻璃纖維和固體離子導電膜。鋰空氣電池常用隔膜有聚烯烴隔膜、玻璃纖維和固體離子導電膜。這里介紹幾種有機電解質這里介紹幾種有機電解質三、設計三、設計&性能性能鋰空氣電池有多種結構形式有軟包鋰空氣電池有多種結構形式有軟包裝型、硬幣型、塑料殼型等。最普裝型、硬幣型、塑料殼型等