镁空气电池研究进展.ppt
新能源材料-金属空气电池ppt课件
7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（1）充电特性
锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电 模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整 体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换 ，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电 池块只需要1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及 电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽 车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
金属/空气电池由具有反应活性的负极和空气电极经电化 学反应偶合而成，它的正极反应物用之不尽。在某些情况 下，金属/空气电池具有很高的质量比能量和体积比能量。 这一体系的极限容量取决于负极的安时容量和反应产物的 贮存与处理技术。
已经研究和开发过的金属/空气电池有原电池、贮备电 池、可充电电池和机械再充式电池等。在机械充电电池设 计(即更换放完电的金属负极)中，电池在本质上相当于原电 池，它的空气电极为相对简单的“单功能”电极，只需要 在放电模式下工作。常规可充电金属/空气电池需要一个第 三电极(用来维持充电时放出氧气)或者一个“双功能”电极 (一个既可以还原氧又可以析氧的电极) 。
7.2 空气电极
7.2.2 外界环境的影响
（1）空气中的CO2的影响
在碱性环境中，二氧化碳会形成碱式碳酸盐而沉积在电 极的微孔结构中，故应使空气中的CO2始终维持在10010-6 以下。
（2）其他影响
锌电极中合金元素的特性和电解液都有可能影响空气电 极的性能和寿命。此外，活性物质中有害物质、隔膜的稳定 性与抗氧化性等因素对锌空气电池性能均有不同程度的影响 。
7.3 锌空气电池
7.3.2 结构
糊状的锌粉在阳极端，起催化作用的碳在阴极。电池壳体上的孔可 让空气中的氧进入腔体附着在阴极的碳上。同时，阳极的锌被氧化。 阴极——是起催化作用的碳从空气中吸收氧。 阳极——是锌粉和电解液的混合物，成糊状。 电解液——高浓度的氢氧化钾水溶液。 隔离层——用于隔离两级间固体 粉粒的移动。 绝缘和密封衬垫——尼龙材料。 电池外表面——镍金属外 壳，具有良好的防腐性的 导体。
《镁空气电池用Mg-Sn基阳极材料的组织特性与放电行为研究》
《镁空气电池用Mg-Sn基阳极材料的组织特性与放电行为研究》篇一一、引言随着科技的发展，能源的需求与环境保护意识日益提升，人们正寻找更加环保且可持续利用的能源存储解决方案。
镁空气电池因其高效、安全且环保的特点，成为了一种颇具潜力的新能源存储方式。
其阳极材料对电池的电性能及循环稳定性有着关键性影响。
本研究致力于分析镁空气电池中，Mg-Sn基阳极材料的组织特性及其放电行为。
二、镁空气电池简介镁空气电池利用镁合金作为阳极材料，其化学反应原理是通过空气中的氧气和金属镁的反应，进行电力转换。
这种电池具有高能量密度、低自放电率、环保等优点，被广泛认为是未来能源存储的重要方向之一。
三、Mg-Sn基阳极材料的组织特性1. 微观结构Mg-Sn基阳极材料是由镁和锡通过特定工艺合金化制成的复合材料。
这种材料的微观结构呈现出均一的金属颗粒，以及大量的孔洞结构，使得该材料具有良好的孔隙率。
此外，通过精细控制Sn的含量，我们可以有效地优化该材料的物理特性。
2. 元素分布与相结构在Mg-Sn基阳极材料中，镁和锡元素分布均匀，形成了稳定的金属间化合物相。
这些相的存在不仅增强了材料的机械强度，还提高了其电化学性能。
此外，这种材料还具有较好的耐腐蚀性，这得益于其表面形成的保护性氧化膜。
四、放电行为研究1. 放电性能Mg-Sn基阳极材料在镁空气电池中表现出良好的放电性能。
其放电电压稳定，能量密度高，同时具有较长的循环寿命。
这主要得益于其良好的物理和化学特性，以及合理的元素组成和微观结构。
2. 反应机理在放电过程中，阳极的镁元素与电解质溶液中的水发生反应，生成氢氧化镁并释放电子和氢气。
在这个过程中，Sn元素起到了催化剂的作用，加速了反应的进行。
同时，由于Mg-Sn基阳极材料的多孔结构，使得反应过程中有足够的空间进行物质传输和电荷交换。
五、结论本研究详细分析了镁空气电池中Mg-Sn基阳极材料的组织特性及其放电行为。
该材料因其良好的微观结构、元素分布和相结构而展现出优异的电化学性能。
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。
可充镁电池的研究和发展趋势
可充镁电池的研究和发展趋势
可充镁电池是一种新型的电池技术，它的研究和发展趋势备受关注。
相比于传统的锂离子电池，可充镁电池具有更高的能量密度、更长的寿命和更低的成本，因此被认为是未来电池技术的重要方向之一。
可充镁电池的研究主要集中在两个方面：一是提高电池的能量密度，二是提高电池的循环寿命。
在提高能量密度方面，研究人员主要采用了两种方法。
一种是采用新型的电极材料，如氧化镁、氧化钛等，这些材料具有更高的比容量和更好的电化学性能，可以提高电池的能量密度。
另一种方法是采用新型的电解质，如有机电解质、离子液体等，这些电解质具有更高的离子传导性能和更好的稳定性，可以提高电池的能量密度和循环寿命。
在提高循环寿命方面，研究人员主要采用了两种方法。
一种是采用新型的电极材料，如氧化镁、氧化钛等，这些材料具有更好的结构稳定性和更好的电化学稳定性，可以提高电池的循环寿命。
另一种方法是采用新型的电解质，如有机电解质、离子液体等，这些电解质具有更好的稳定性和更好的防止电极腐蚀的能力，可以提高电池的循环寿命。
总的来说，可充镁电池的研究和发展趋势非常明显，未来可充镁电池有望成为电动汽车、储能系统等领域的重要能源来源。
随着技术
的不断进步和成本的不断降低，可充镁电池的应用前景将会越来越广阔。
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
镁空气储备电池
镁空气储备电池镁空气储备电池是一种新型的储能技术，它利用镁和空气的化学反应来将电能转化为化学能进行储存，并在需要时将化学能转化为电能供电。
与传统的锂离子电池相比，镁空气储备电池具有能量密度更高、安全性更好和环境友好等优点，因此备受关注和研究。
镁是一种丰富的金属元素，并且具有优异的化学特性。
相较于锂，镁在化学反应中释放出的电能更高，因此镁空气储备电池的能量密度相较于锂电池更高。
此外，镁空气储备电池所需的空气作为一种无限可再生能源，可以大大延长电池的使用寿命。
镁空气储备电池的工作原理如下：首先，在电池的阳极一侧，镁金属与电解质发生化学反应，生成镁离子和电子。
随后，镁离子通过电解质流动到电池的阴极一侧，与从空气中吸收的氧气反应，生成氧化镁。
而同时，被释放的电子则通过外部电路形成电流，从而实现能量的转换和储存。
与锂离子电池相比，镁空气储备电池具有以下特点：1. 高能量密度：镁空气储备电池的能量密度是锂离子电池的两倍以上，能够提供更长的续航里程和更高的能量输出。
2. 环境友好：镁是一种广泛存在的天然资源，相较于锂等稀有金属，镁的开采和回收更加容易和环保。
3. 安全性高：镁空气储备电池不需要使用易燃和易爆的有机溶剂，不存在火灾和爆炸等安全隐患。
4. 成本更低：镁空气储备电池的材料成本较低，且镁金属可以多次使用，降低了使用成本。
然而，镁空气储备电池还存在一些挑战需要克服。
首先，镁离子在电解质中的传输速度较慢，影响了电池的放电速率和性能。
其次，镁与电解质之间的反应会产生一定的副反应，导致电池的循环寿命变短。
此外，对阴极的氧气进行处理和过滤也是一个技术难题。
为了解决这些问题，科学家们正在不断努力改进镁空气储备电池的结构和材料。
例如，研究人员正在寻找更好的电解质和阳极材料，以提高电池的性能和循环寿命。
此外，采用纳米材料和多孔材料也可以增加电池系统的表面积和电荷传输速度，从而提高电池的能量密度和放电速率。
总之，镁空气储备电池作为一种新型储能技术，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
《金属空气电池》课件
储能领域
金属空气电池可作为大规 模储能系统，用于平衡电 网负荷、可再生能源并网 等。
军事领域
金属空气电池具有轻便、 高能量密度的特点，可用 于军事装备和无人机等。
优势与局限性
优势
金属空气电池具有高能量密度、环保 、资源丰富等优点，同时成本较低， 适合大规模应用。
局限性
金属空气电池的寿命相对较短，需要 定期更换电极材料；同时，其充电速 度和放电速度也较慢。
特点
金属空气电池具有高能量密度、低成本、环保等优点，同时 其放电功率和能量受限于氧气的供应和电极的结构。此外， 金属空气电池的寿命和性能受环境温度、湿度和氧气浓度的 影响较大。
02 金属空气电池的组成与工作过程
CHAPTER
正极材料
作用
正极材料在金属空气电池中主要负责氧的吸附和释放，以及电子 的传递。
电解液
作用
电解液在金属空气电池中主要负责提供离子传输 的通道，并参与电池的化学反应。
种类
常用的电解液包括碱性电解液、酸性电解液和熔 融盐等。
特点
电解液应具有良好的离子导电性、化学稳定性和 较低的腐蚀性。
工作过程
充电过程
在充电过程中，正极发生氧的吸 附反应，负极发生金属离子的沉 积反应，同时电子通过外电路传
研究进展
金属空气电池的原理研究
近年来，研究者们对金属空气电池的工作原理进行了深入 探讨，进一步了解了其放电和充电过程中的化学反应机制 。
新型金属空气电池的开发
针对传统金属空气电池的局限性，研究者们不断探索新型 的金属空气电池，如采用非贵金属作为阳极材料，以提高 电池的经济性和可循环性。
金属空气电池性能优化
金属空气电池的重要地位
金属空气电池是一种新型的能源存储和转换装置，具有高效、环保、可持 续等优点，在能源领域中占据重要地位。
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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-
O2+H2O+2e-=HO2-+OH-
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 — 形态
高纯度镁（99.99%）作为阳极可以比某 些合金的腐蚀率更低
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.
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。
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).
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。
微/纳米结构
增大比表面积，加速反应 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。
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。
❖ 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
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
催化剂
性能
贵金属
Pt,Pt-alloys, Pd,Cu,Ag…
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
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
Co3O4/r-GO,MnCoO/r-GO
含氮金属复合物
FeTMPP/C,CoTMPP/C
催化活性与Pt相当， 4e-反应过程，有希望 成为Pt的替代品