镁空气电池研究进展
一类新型镁材料——镁基金属有机骨架材料
2018年第37卷第9期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3437·化 工 进展一类新型镁材料——镁基金属有机骨架材料韩森建，王海增（中国海洋大学化学化工学院，山东 青岛 266100）摘要：镁基金属有机骨架材料（Mg-MOFs ）是近年来逐渐受到关注的一类新型功能材料，其种类与结构多样化，使其在很多领域中展现出了潜在的应用价值，为镁资源的开发利用开拓了一个新的领域。
本文从Mg-MOFs 的种类、特点、制备方法、应用以及稳定性5个方面展开论述。
详细阐述了Mg-MOFs 在催化、药物缓释、光学材料、气体储存、气体吸附和分离等方面的应用，着重介绍了Mg-MOFs 的储氢能力和对二氧化碳的吸附能力及对不同混合物的选择分离能力。
提出了今后Mg-MOFs 的研究重点：优化Mg-MOFs 的制备条件，降低制备难度及成本；选择新的配体源及溶剂，开发具有结构稳定、高比表面积、功能多样的Mg-MOFs ，扩大其在气体吸附与选择性分离方向的应用；将Mg-MOFs 应用于复合材料中，拓宽其应用范围。
关键词：镁基金属有机骨架材料；羧酸配体；储氢；分离中图分类号：O6-1 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）09–3437–09 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2174A new material of magnesium complexes——magnesium based metalorganic frameworksHAN Senjian , WANG Haizeng(College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China)Abstract ：Magnesium based metal organic frameworks (Mg-MOFs), as a new kind of functional material, have recently drawn much research attention. Due to the diversified specie and structures, Mg-MOFs have shown potential applications in many fields, which provide a new research area for the development and utilization of magnesium resources. Five aspects on Mg-MOFs are discussed in this article, including the main types, characteristics, preparation method, applications and stability. The applications of Mg-MOFs in catalysis, drug delivery, optical properties, gas storage, adsorption and separation are elaborated, and the capacities of hydrogen storage, carbon dioxide adsorption and selective uptake are presented emphatically. In addition, the prospects and challenges in the future are pointed out. For instance: optimizing the preparation conditions of Mg-MOFs to reduce the process difficulty and costs; selecting new ligands and solvent to prepare Mg-MOFs of high surface area, developing varieties of functional Mg-MOFs with structural stability to expand their applications in gas adsorption and separation, and applying Mg-MOFs to the composite materials to extend their application range.Key words: magnesium based metal organic frameworks (Mg-MOFs); ligands of carboxylic acid; storage hydrogen gas; separation我国镁资源总储量世界第一，包括固态镁资源和液态镁资源[1]。
铝空气电池的研究现状与发展趋势
铝空气电池的研究现状与发展趋势纪小会;王庆伟;宋青青;尹帅;赵玉帆【摘要】本文简要介绍了铝空气电池的结构原理和研究现状,着重对铝阳极、空气电极催化剂和电解液进行了分析,提出了二次充电的循环原理,并对铝空气电池的应用前景进行了展望.【期刊名称】《世界有色金属》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】4页(P15-18)【关键词】铝空气电池;铝阳极;催化剂;电解液【作者】纪小会;王庆伟;宋青青;尹帅;赵玉帆【作者单位】河南工业大学,河南郑州450001;河南工业大学,河南郑州450001;河南工业大学,河南郑州450001;河南工业大学,河南郑州450001;河南工业大学,河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TM911二次电池发展历程较长，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池[2]等四个阶段。
其中，由于铅酸电池比能量低、寿命短，镍氢电池电压与理论比容量低等缺点[3]，己经不能满足人们日益发展的工作和生活需求。
锂离子电池拥有较高的比能量，是目前研究较成熟且已经大规模商用的二次电池，但是近几年来，面对移动电子设备和电动汽车等领域的巨大发展，锂离子电池已难于满足其大容量的需求，特别是对能源依赖性很强的动力电池体系。
因此，拥有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生，比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。
由于这类电池的正极活性物质主要来源于空气中的氧气，理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量主要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量[4]。
其中，铝-空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg[5]，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。
作为一种特殊的燃料电池，铝-空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。
一些铝燃料电池产品，如船舶推进电池组、电信系统的储备电池、铝-氧气水下动力系统等，正向市场化方向发展。
镁空气电池研究进展
副反应的发生减缓了氧还原过程，因此需要有一种高效的催 化剂，提高反应活性，加快反应速度。
表三 催化剂的种类 Table3 Types of cathode catalysts for Mg-air batteries 类型 贵金属 催化剂 Pt,Pt-alloys, 性能 催化活性高，过电压低
Pd,Cu,Ag…
增大比表面积，加速反应
微/纳米结构
加速Mg(OH)2沉淀
表二 镁阳极的分类 Table2 Types of Mg anode for Mg-air batteries
二、电解液
镁空气电池的高极化和低库伦效率不仅与电极有关也与电解液密 切相关，因此选择一种合适的电解液也是至关重要的。
关于电解液的研究主要有以下几个方面：电解质溶液的PH，溶液
中阴离子的种类，溶液浓度等。
三、空气电极
镁空气电池的性能与空
气电极密切相关。典型 的空气电极有四层组成：疏水
层，气体扩散层，催化层和电流收集层。
现在关于空气电极的研究主要围绕气体的有效扩散以及合 适的高效催化剂等。
中性水溶液中可能的氧还原路径为： O2+2H2O+4e-=4OHO2+H2O+2e-=HO2-+OHHO2-+H2O+2e-=3OH2HO2-=2OH-+O2
4e-反应过程
碳基材料
nanotubes, graphene
催化活性接近Pt，稳定性
N-doped nanotubes
好，类似4e-反应过程
过渡金属氧化物
Co3O4/r-GO,MnCoO/r-GO
催化活性与Pt相当， 4e-反应过程，有希望 成为Pt的替代品 催化活性与Pt/C相当 4e-反应过程
镁空气电池研究进展
镁空气电池研究进展镁空气电池（Mg-air battery）是一种新型的高能量密度储能装置，具有很大的应用潜力。
相较于传统的锂离子电池，镁空气电池具有较高的能量密度、较低的成本，且镁是丰富的资源。
近年来，镁空气电池的研究取得了一系列重要进展。
首先，镁空气电池的电极材料方面有了很大的突破。
传统镁空气电池中，阳极使用的是纯镁金属，但纯镁金属易氧化，造成电池反应速度较慢。
研究人员通过在镁金属表面涂覆一层保护层，如锗、锡、镁合金等，可以有效减缓氧化速度，提高电池性能。
此外，阳极的形貌设计也很重要，例如使用纳米结构和多孔结构，可以扩大阳极表面积，提高电极反应活性，增强电池性能。
其次，镁空气电池的气体电阻问题得到了一些解决方案。
由于氧气在电极和电解液之间的传输受到阻碍，镁空气电池的效率受到限制。
为了克服这个问题，研究人员提出了一种电解质中添加氯离子的方法，可以在阳极上形成可溶解的氯化镁薄膜，促进氧气的传输，并减小气体电阻。
另外，镁空气电池的寿命问题也引起了研究人员的关注。
在放电过程中，镁空气电池会生成氧化镁和水，但氧化镁会堵塞电池孔隙，降低电池性能。
为此，研究人员使用了一种可溶解的阳极材料，当电池放电完成后，可以通过加入新的阳极材料来解决堵塞问题，延长电池的使用寿命。
此外，镁空气电池的商业化进展也有所提升。
一些公司和研究机构已经开始开发和推广镁空气电池技术。
例如，永新锂能公司（Energizer）推出了一种镁空气电池，其能量密度达到了3000瓦特时/公斤，已经应用在一些便携设备上。
总之，镁空气电池的研究进展非常迅速，已经取得了一系列重要进展。
虽然仍然存在一些问题需要解决，如电极材料的稳定性、电解液的效率等，但这些问题都有望在不久的将来得到解决。
随着更多的研究和技术进步，镁空气电池有望成为一种高效、廉价、可持续的储能技术，在能源领域发挥重要作用。
镁空气电池研究进展
04
镁空气电池性能测试与评价
充放电性能测试
充放电性能是镁空气电池最重要的性能指标之一，通过对不同材料和结构的镁空 气电池进行充放电测试，可以评估其性能优劣和潜力。
06
镁空气电池研究展望与挑战
研究展望
提升能量密度和稳定性
通过优化材料和设计，提高镁空气电池的能量密度和循环稳定性，以满足实际应用的需求。
扩大应用领域
探索镁空气电池在储能、电动车辆、移动设备等领域的应用可能性，拓展其应用范围。
加强基础研究
深入研究镁空气电池的反应机制和材料特性，为进一步优化提供理论支撑。
倍率性能测试
倍率性能是指镁空气电池在不同倍率下的充放电性能，通 过对电池进行倍率性能测试可以评估其在不同使用场景下 的适应性。
倍率性能测试通常需要在不同电流密度下对电池进行充放 电测试，以了解其倍率性能的变化规律和优劣程度。
能效与能量密度测试
能效与能量密度是镁空气电池的关键性能指标之一，能效指的是电池在充放电过 程中能量的利用效率，能量密度则是指电池单位体积或质量所能够储存的能量大 小。
技术挑战
要点一
镁的氧化还原反应
镁的氧化还原反应是镁空气电池的核 心反应之一，需要进一步优化反应过 程以提高电池性能。
要点二
催化剂性能提升
镁空气电池的催化剂是影响性能的关 键因素之一，需要研究和开发高效、 稳定的催化剂。
要点三
电池系统集成
镁空气电池系统的集成和优化，包括 电极设计、电解质选择、镁供应和回 收等，也是需要解决的重要问题。
02
金属空气电池在军民两用领域的应用研究
文章编号：1009-8119 ( 2018 ) 03 ( 1 ) -0064-04金属空气电池在军民两用领域的应用研究史腾飞李仲铀董姗姗王珊珊(中国船舶工业综合技术经济研究院，北京100081摘要随着新能源技术的不断发展，金属空气电池因其具有容量大、成本低、清洁环保及放电稳定安全等特性而受到了广泛重视。
与传统的燃料电池相比，金属空气电池以氧气作为氧化剂，活性金属作为负极，并通过与 电解液进行反应而产生电能，其原理与干电池类似，是当前新能源电池发展的重要方向之一。
对当前几种前沿金 属空气电池的研究进展及其应用进行了分析与研究。
关键词金属空气电池，军用，民用，应用近年来，随着新能源技术的发展，电力系统越来越多 地被应用于代替传统的能源系统，充电站、电动汽车、电 力推进器系统等已成为当前新能源技术应用的热门方向， 而电源装置则是新能源技术发展的关键。
金属空气电池是 一种新型化学电池，兼具原电池和燃料电池的优点，具有 比功率高、使用年限长、节能环保等优点，并且因原材料 较为丰富而成本较低，是面向21世纪的新型清洁绿色能源 之一。
目前，金属空气电池的主要类型有铝一空气电池、 锌一空气电池、镁一空气电池、埋一空气电池、钠一空气 电池，以及铁一空气电池。
本文将对以上几种金属空气电 池的国内外研究进展及应用情况进行介绍。
1金属空气电池发展情况概述1.1金属空气电池的原理及结构金属空气电池是以金属或金属混合物为电池负极，以 空气中的氧或纯氧作为正极的活性物质，在中性或者碱性 电解液的条件下发生氧化还原反应，在反应中释放电子而 产生电流的装置，如图1所示。
图1金属空气电池放电时的状态在放电时，氧气在正极发生还原反应，方程式如下:O 2+2H 2O +4e -—4OH -相应的负极通常只能以不同金属M 失去电子来进行平衡，反应方程式如下：M ^M "++«e -由于负极所用的金属不同，金属电池的性质有所不 同。
600纳米镁粉
600纳米镁粉【实用版】目录1.600 纳米镁粉的定义与特性2.600 纳米镁粉的应用领域3.600 纳米镁粉的优势与潜在问题4.我国在 600 纳米镁粉研究与应用的现状与展望正文【1.600 纳米镁粉的定义与特性】600 纳米镁粉，顾名思义，是指粒径在 600 纳米的镁粉。
镁是一种轻质、活泼的金属元素，具有良好的导电性、导热性和抗震性。
在纳米级别下，镁粉的物理和化学性质会发生显著变化，如比表面积增大、晶体结构改变等。
这些特性使 600 纳米镁粉在多个领域具有广泛的应用前景。
【2.600 纳米镁粉的应用领域】600 纳米镁粉的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：（1）催化剂：600 纳米镁粉由于其高比表面积和良好的活性，可作为催化剂或催化剂载体，提高催化效率。
（2）电池：600 纳米镁粉在锂离子电池、镁空气电池等新型电池领域有广泛应用，可以提高电池的能量密度、循环寿命等性能。
（3）涂料：600 纳米镁粉可作为一种功能性填料，提高涂料的附着力、耐磨性、抗腐蚀性等性能。
（4）陶瓷：600 纳米镁粉可作为陶瓷材料的增强剂，提高陶瓷的力学性能、热稳定性等。
【3.600 纳米镁粉的优势与潜在问题】600 纳米镁粉的优势主要体现在以下几个方面：（1）高比表面积：600 纳米镁粉具有较大的比表面积，可以提高反应速率，增强催化效果。
（2）良好的活性：600 纳米镁粉具有较高的活性，可以提高材料的性能。
然而，600 纳米镁粉也存在一些潜在问题，如纳米颗粒的团聚、生产成本较高、环境影响等。
【4.我国在 600 纳米镁粉研究与应用的现状与展望】我国在 600 纳米镁粉的研究与应用方面取得了一定的进展。
在催化、电池、涂料等领域均有研究与应用。
然而，与国际先进水平相比，我国在600 纳米镁粉的研究与应用仍有较大差距。
异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展
Vol.53 No.6June,2021第 53 卷 第 6 期2021 年 6 月无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRYDoi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0235开放科学(资源服务)标志识码(OSID)异质结构碳材料的金属空气电池应用研究进展郝跃辉，成怀刚,钱阿妞（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西太原030006）摘 要:金属空气电池在可穿戴电子产品和能源储存领域中具有巨大的应用潜力，然而稳定性差和能量效率低的问题限制其性能的进一步提高。
电化学氧还原反应（ORR ）和氧析岀反应（OER 冤对于金属空气电池的性能起着至关重要的作用。
发展催化活性高、稳定性好的空气电极催化剂是未来的研究趋势。
碳材料因具有导电性优异、结构多 样等优势已被广泛用作金属空气电池的导电骨架支撑材料和电催化材料，成为研究的热点。
对非金属原子掺杂碳材 料、过渡金属及其衍生物掺杂碳材料以及单原子催化剂作为单功能或双功能催化剂的研究进行综述，着重介绍了其在金属空气电池中的应用，对空气电极催化剂存在的问题进行总结，并对未来的发展方向进行展望。
关键词:金属空气电池;碳材料;异质结构;空气电极催化剂中图分类号:TQ131.11 文献标识码:A 文章编号：1006-4990（2021）06-0023-08Research progress of hetero -structured carbon materials formetal-O 2 batteries applicationsHao Yuehui , Cheng Huaigang , Qian Aniu(Institute of R esources and Environmental Engine e r ing , St-at-e Environmental Protection Key Laboratory ofEffcientUtilization Technology of Coal Waste Resources , Shanxi University , Taiyuan 030006, China)Abstract : Metal-O 2 batteries have great potential in the fields of wearable electronic devices and energy storages.However ,poor stability and low energy efficiency limit further improvement in their electrochemical performance.Electrochemical oxy gen reduction reaction ( ORR ) and oxygen evolution reaction ( OER ) play a vital role in the performance of metal-O 2 batteries.The research trend focus on the development of catalysts as electrodes with high catalytic activity and good stability.Carbon materials have been widely used as conductive framework support and electro-catalysts for Metal-O 2 due to their excellent electrical conductivity and diverse structures , which have been become the research hotspot.In this paper , the research of nonmetal heteroatomic doped carbon materials , transition metal and its derivatives doped carbon materials , and single-atom cata lysts as mono-functional or bi-functional catalysts were reviewed.Their application in metal -O 2 batteries were introduced in detail.The existing problems of air-electrode catalyst were summarized , and the future development direction was prospected. Key words : metal-O 2 battery ； carbon materials ； hetero-structures ； catalysts随着能源、医疗和环境等领域对高效且智能的电子产品的需求日益迫切，为这些设备提供能量的 储能器件成为近年来的研究热点。
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镁空气电池的优 点
储量丰富、价格便宜 清洁、安全 压降小、放电电压稳定 理论电压和能量密度高
Part 2 镁空气电池研究及应用现状
一、镁阳极
• 镁合金化
将镁与其它金属如Al，Mn，Zn等形成合金， 减少镁阳极的腐蚀，提升电池的性能
• 提升镁自身的性能
纯度 — 高纯度镁（99.99%）作为阳极可
以比某 形态
增大比表面积，加速反应
些合金的腐蚀率更低
加速Mg(OH)2沉淀
表二 镁阳极的分类 Table2 Types of Mg anode for Mg-air batteries
二、电解液
镁空气电池的高极化和低库伦效率不仅与电极 有关也与电解液密切相关，因此选择一种合适的 电解液也是至关重要的。
阳极： Mg-2e- =Mg2+
阴极 ： O2+2e- =O22-
或O2+4e-=2O2-
总反应： Mg+O2=MgO2
图一 镁空气电池的典型结构和工作原理
或2Mg+O2=2MgO
Fig.1 Typical structure and working principle of Mg-air battery
3.Ghali E, Dietzel W, Kainer K. General and Localized Corrosion of Magnesium Alloys: A Critical Review[J]. Journal of Materials Engineering & Performance, 2013, volume 13(1):7-23(17).
O2+H2O+2e-=HO2-+OH-
HO2-+H2O+2e-=3OH-
2HO2-=2OH-+O2
副反应的发生减缓了氧还原过程，因此需要有一种高效的催 化剂，提高反应活性，加快反应速度。
类型
表三 催化剂的种类 Table3 Types of cathode catalysts for Mg-air batteries
雅安地震发生后，中科院大连物化所紧急向灾区提供了500多台大容量、高比 容量镁/空储备电源。该电源可提供长达一个月的电力供应，可在灾区作为帐 篷照明灯、手机充电器等小型设备应急移动电源，为灾后救援提供长时间照 明、通讯等保障，有效解决大面积电力中断带来的影响。
Part 3 镁空气电池的发展方向
4.Du J, Wang Z, Niu Y, et al. Double liquid electrolyte for primary Mg batteries[J]. Journal of Power Sources, 2014, 247(3):840–844.
5.Saminathan K, Mayilvel Dinesh M, Selvam M, et al. Water soluble graphene as electrolyte additive in magnesium-air battery system[J]. Journal of Power Sources, 2015:32–38.
镁空气电池性能优异，有着广阔的发展空间，未来对其研 究主要围绕着以下两个方面： 1.进一步提升镁合金的性能，提高镁阳极的使用效率；寻找催 化活性强，耐用性强，成本低的催化剂，优化空气电极的结构； 研究性能优异稳定的电解液体系。
2.现在的镁空气电池基本都是一次电池，关于可充电的镁空气 电池的还急需发展。
关于电解液的研究主要有以下几个方面：电解
三、空气电极
镁空气电池的性能与空 气电极密切相关。典型 的空气电极有四层组成：疏水 层，气体扩散层，催化层和电流收集层。
现在关于空气电极的研究主要围绕气体的 有效扩散以及合适的高效催化剂等。
中性水溶液中可能的氧还原路径为：
O2+2H2O+4e-=4OH-
表一 几种电池的电压和能量密度对比 Table1 Volatge and energe density comparison of selected batteries
镁空气电池工作原理
水体系：
阳极： Mg-2e- =Mg2+ 阴极： O2+2H2O+4e- =4OH总反应： 2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2 非水体系：
催化活性与Pt相当， 4e-反应过程，有希望 成为Pt的替代品
催化活性与Pt/C相当 4e-反应过程
四、应用现状
现在镁空气电池的主要应用包括三方面， 一是作为备用电源，在紧急情况下使用；二是 为一些海下设备提供电能，三是军事上的应用。
挪威和意大利曾合作开发出一种镁空气燃料 电池，用于海上的油田勘探设备，这种电池 的能量密度达到650KWh,使用寿命为15年。
催化剂
性能
贵金属
Pt,Pt-alloys, Pd,Cu,Ag…
催化活性高，过电压低 4e-反应过程
碳基材料
nanotubes, graphene N-doped nanotubes
催化活性接近Pt，稳定性 好，类似4e-反应过程
过渡金属氧化物Байду номын сангаас
Co3O4/r-GO,MnCoO/r-GO
含氮金属复合物
FeTMPP/C,CoTMPP/C
镁空气电池材料研究进展
目录 / contents
1 镁空气电池简介 2 镁空气电池的研究及应用现状 3 镁空气电池的发展方向
Part 1 镁空气电池简介
金属空气电池
金属空气电池是一类特殊的燃料电池，它是以金属为燃料，与 空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能。具有能量密度高、安 全、污染小等特点。主要包括锂空气电池、镁空气电池、铝空气 电池、锌空气电池等。
参考文献：
1.Zhang T, Tao Z, Chen J. Magnesium–air batteries: from principle to application[J]. Mater. Horiz., 2014, 1:Advance Article.
2.Zhang L, Hou Z, Ye X, et al. The effect of selected alloying element additions on properties of Mg-based alloy as bioimplants: A literature review[J]. Frontiers of Materials Science, 2013, 7(3):227-236.