镁空气电池研究进展.
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镁空气电池材料研究进展
目录 / contents
1 2 3
镁空气电池简介
镁空气电池的研究及应用现状
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。
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
含氮金属复合物
Table1
表一 几种电池的电压和能量密度对比 Volatge and energe density comparison of selected batteries
镁空气电池工作原理
水体系： 阳极： 阴极： Mg-2e- =Mg2+ O2+2H2O+4e- =4OH-
总反应： 2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2 非水体系：
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…
阳极： Mg-2e- =Mg2+
阴极 ： O2+2e- =O22或O2+4e-=2O2-
总反应： Mg+O2=MgO2
或2Mg+O2=2MgO 图一 镁空气电池的典型结构和工作原理 Fig.1 Typical structure and working principle of Mg-air battery
FeTMPP/C,CoTMPP/C
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。
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
Part 3 镁空气电池的发展方向
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.
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
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
目录 / contents
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镁空气电池简介
镁空气电池的研究及应用现状
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。
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
含氮金属复合物
Table1
表一 几种电池的电压和能量密度对比 Volatge and energe density comparison of selected batteries
镁空气电池工作原理
水体系： 阳极： 阴极： Mg-2e- =Mg2+ O2+2H2O+4e- =4OH-
总反应： 2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2 非水体系：
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…
阳极： Mg-2e- =Mg2+
阴极 ： O2+2e- =O22或O2+4e-=2O2-
总反应： Mg+O2=MgO2
或2Mg+O2=2MgO 图一 镁空气电池的典型结构和工作原理 Fig.1 Typical structure and working principle of Mg-air battery
FeTMPP/C,CoTMPP/C
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。
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
Part 3 镁空气电池的发展方向
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.
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。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
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