电池用空气电极催化剂的研究进展
氧电催化剂综述
氧电催化剂综述一、引言氧电催化剂在能源转换和存储领域具有举足轻重的地位。
随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，高效、清洁的能源转换技术受到了广泛关注。
氧电催化剂作为燃料电池、金属-空气电池以及水电解等关键能源转换技术的核心组件，其性能直接影响到这些技术的效率和可行性。
因此，对氧电催化剂的研究和开发具有重要的现实意义和战略价值。
二、氧电催化剂的基本原理氧电催化剂主要涉及到氧气在电极表面的还原反应（ORR）和析出反应（OER）。
在燃料电池和金属-空气电池中，ORR是阴极反应，而在水电解过程中，OER则是阳极反应。
这两个反应的动力学过程相对缓慢，需要高效的催化剂来降低反应活化能，从而提高反应速率。
氧电催化剂通常由活性组分、载体和助剂三部分组成。
活性组分是催化剂中起主要催化作用的物质，载体则用于分散活性组分，提高催化剂的比表面积和稳定性，而助剂则可以调节催化剂的电子结构和表面性质，进一步优化催化性能。
三、氧电催化剂的研究进展近年来，氧电催化剂的研究取得了显著进展。
以下从贵金属催化剂、非贵金属催化剂和碳基催化剂三个方面进行简要概述。
1. 贵金属催化剂铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属催化剂在ORR和OER中表现出优异的催化性能。
然而，贵金属催化剂的高成本、稀缺性以及稳定性问题限制了其在大规模应用中的推广。
为了降低贵金属催化剂的成本和提高稳定性，研究者们采用了多种策略，如合金化、核壳结构、载体优化等。
这些策略在一定程度上提高了贵金属催化剂的性能和稳定性，但仍需进一步探索和改进。
2. 非贵金属催化剂非贵金属催化剂主要包括过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物等。
这些催化剂在ORR和OER中具有一定的催化活性，且成本较低，因此被认为是贵金属催化剂的潜在替代品。
然而，非贵金属催化剂的催化性能和稳定性尚不能满足实际应用的要求。
为了提高非贵金属催化剂的性能，研究者们采用了掺杂、纳米结构调控、表面修饰等方法，取得了一定的成果。
锂-空气电池
为了减少气体扩散对电池性能的影响， Williford等设计了一种双重相互连通的孔隙系统 （一边有催化剂，另一边无催化剂）提高氧气传 输到空气电极内部的几率，从而提高锂空气电池 的效率。 通过上述对多孔碳空气电极的研究表明，孔容 （孔隙率）是决定多孔碳空气电机性能非常重要 的参数。一般而言，在反应比表面积充足的情况 下，碳材料的孔容越大，储存锂氧化物的空间就 越大，其容量也就越高。
4.2催化剂的效率
催化剂的催化效果不仅与其自身化学性质有关， 而且与其物理性质有关。
应用在空气电极上的催化剂种类较多，主要有以
下四种类:(1)多孔碳材料;(2)金属氧化物材料;（3） 贵金属及合金;（4）金属菁化合物。
对空气中催化剂的选择一方面要考虑催化剂的价
格，能够满足大规模商业化的应用；另一方面要 考虑催化剂的催化性能，能够满足答功率电化学 反应的要求。
主要内容： 1、锂-空气电池材料的主要问题 2、锂电极的保护 3、电解质材料 4、锂空气电极材料
1、锂-空气电池材料的主要问题
目前，锂-空气电池的研究还处于初始阶段，其 实际比能量还远远达不到其理论值，比功率较低、 循环性能也较差。目前制约其发展和应用的因素 有很多，以锂-空气电池为例，在电池材料方面主 要有：
图五为放电时间与孔隙结构之间的关系，其中 电极厚度为0.070cm,氧气分压为1.0atm，电流 密度为0.5mA.cm-2，电池总放电时间为56h。
Mirzaeian等采用碳酸钠催化剂与碳气凝胶复合作 为空气电极，研究了多孔碳的结构，孔隙率，孔径 以及比表面积对电池放电容量的影响。结果表明， 在孔容（2.195cm3.g-1）和孔径（14.23nm）时， 具有较高的放电容量（1290mAh.g-1，放电电流密 度20mA.cm-2）。 在相同厚度的空气电极中，碳的装载量与孔容是影 响电池放电容量的两个重要参数。在一定程度范围 内，随着碳装载量的增加，放电容量会有所提高。 Hayashi等研究了不同种类的碳材料作为空气电极 时电池的电化学性能。高的碳材料比表面积对应大 的放电容量。
锌空气电池电解质的发展
锌空气电池电解质的发展【摘要】锌空气电池是一种新型环保能源储存技术，其电解质的研究一直备受关注。
本文主要围绕锌空气电池电解质的发展展开讨论。
首先介绍了锌空气电池电解质的背景，然后分析了目前的研究现状和存在的问题与挑战。
接着探讨了锌空气电池电解质的发展趋势和关键技术，重点讨论了材料选择的重要性。
展望了锌空气电池电解质的未来发展前景。
通过本文的介绍，读者可以更全面地了解锌空气电池电解质的研究现状和未来发展方向，为相关领域的研究提供参考和借鉴。
【关键词】锌空气电池电解质、发展背景、研究现状、问题与挑战、发展趋势、关键技术、材料选择、未来展望1. 引言1.1 锌空气电池电解质的发展背景在这样的背景下，本文将对锌空气电池电解质的研究现状、问题与挑战、发展趋势、关键技术和材料选择进行深入探讨，以期为锌空气电池的进一步发展提供参考和启示。
2. 正文2.1 锌空气电池电解质研究现状锌空气电池是一种新型的可再充电电池，具有高能量密度和环保的特点，因此备受研究者们的关注。
电解质作为锌空气电池中的重要组成部分，影响着其性能和稳定性。
目前，关于锌空气电池电解质的研究主要集中在改善其导电性、稳定性和溶解度上。
研究人员通过优化电解质组分的配比，设计合适的添加剂，以及改变电解液的结构等方法，不断提高了电解质的离子传导性能，延长了锌空气电池的循环寿命。
还有一些研究表明，采用固态电解质可以有效提高锌空气电池的安全性和循环稳定性，成为未来研究的重点方向之一。
而在电解液中添加一些锂盐或多原子阴离子也被证明可以改善电解质的溶解度和离子传导性能，进一步提升锌空气电池的性能。
锌空气电池电解质的研究取得了一定的进展，但仍然面临着许多挑战。
未来的研究需要继续深入探索新型电解质材料，提高电解质的性能和稳定性，为锌空气电池的商业化应用奠定更加坚实的基础。
2.2 锌空气电池电解质的问题与挑战在锌空气电池电解质研究中，虽然取得了一些进展，但仍然面临着一些问题与挑战。
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。
固体氧化物燃料电池的原理及研究进展
固体氧化物燃料电池的原理及研究进展固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种直接将外界的能量形弐（如可燃气或液体燃料）能转化为电能的“电池”，它主要由电解质（SOFC的空气电极通常是氧化物质）和固体离子电导体（SOFC的电极通常是金属氧化物）组成，是一种新型的高效率燃料电池，被认为是未来能源转换和储存技术领域发展的重要技术。
下面将介绍固体氧化物燃料电池的原理及研究进展：一、原理1. SOFC的基本原理：固体氧化物燃料电池（SOFC）将燃料和氧固态反应，生成了氧阴极腐蚀产物，燃料阳极（氢气或其他燃料气体）发生还原反应，生成电子，两極上的流动的电子来产生可用的电能。
2. 阴极反应：气体阴极反应是SOFC的关键部件，通常以氧为质子接受体，在阴极上，氧气在电极表面被氧化形成水分子和氧离子，同时具有传导电子的工作。
3. 阳极反应：阳极反应则涉及将燃料（如氢气）氧化到水的反应，如果氢气是SOFC的燃料的话，它的阳极反应有：H2 + 1/2O2 = H2O，产生的电子，将被自由流动到电极，通过外部负载可以得到有用的电能。
二、研究进展1. 电极的研究：电极材料的建造及修正是固体氧化物燃料电池研究的焦点之一，因此开发新型的电极材料广受关注，这些新研究中5d电子金属氧化物（如金属钅氧化物）和聚酰胺（如聚甲醛酰胺）已成为一种可行的选择，它们具有良好的性能和成本效益。
2. 空气电极的研究：直接用空气作为氧电极的空气电极也逐渐引起关注，研究主要集中在氧化物空气电极（OFC）和水空气电极（AFC），这些氧化物空气电极主要是采用经高温氧化制备的分层氧化物，它们在不考虑液滴水在SOFC中产生的腐蚀作用的情况下，能够在更低的温度下稳定操作。
3. 流体传输：为了实现最佳性能，传送流体到和从SOFC的反应部分中得到有效的传输是非常重要的，因此诸如燃料和空气的流体路径设计，和液体再循环系统的开发极受关注，以优化燃料的利用率，以及降低SOFC系统的总损失。
锌-空气燃料电池
锌-空气燃料电池，也被称为锌-氧空气电池，是一种基于锌和空气中的氧气进行电化学反应产生电能的电池。
这种电池具有体积小、电荷容量大、质量小、能在宽广的温度范围内正常工作、无腐蚀且工作安全可靠的特性。
锌-空气燃料电池的基本结构包括锌电极、空气电极、电解液和隔膜四个部分。
其中，空气电极由催化层、集流体和气体扩散层三个部分组成。
放电过程中，氧气在空气电极上发生还原反应，而在锌电极上，锌进行氧化反应，从而产生电流。
锌-空气燃料电池的优点包括来源无限、电池价廉、安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等。
由于铂（Pt）基电极催化材料能够实现氧还原反应（ORR）的四电子转移反应机制，因此大多数锌-空气燃料电池的阴极催化材料采用Pt基材料。
然而，为了降低成本，研究人员正在研发高效廉价的阴极催化材料来替代Pt基电极催化材料。
总的来说，锌-空气燃料电池因其独特的优势和广泛的应用前景，被认为是一种理想的动力电源，尤其在电动汽车等领域有着巨大的应用潜力。
然而，该电池的发展还需要克服一些技术难题，如提高电池性能、延长使用寿命等。
非水溶剂锂-空气电池中的氧气电极反应
反应(4)的可逆性可以通过循环伏安实验观察到［16］。例如在饱和了氧气的0.1 mol/L四丁基氯酸铵(TBAClO4)-CH3CN电解液中，用金工作电极在不同扫速下做循环伏安实验，见图2。对还原峰和氧化峰面积进行积分能够得出还原反应和氧化反应的电量相等，证明该反应是可逆的。
图1 锂-空气电池示意图［2］Fig.1 Scheme of a Li-air cell［2］.
式中，α是电子转移系数，通常在0.3～0.7之间，αn的值可以通过在两个不同扫速下的伏安实验得到:
上述的循环伏安结合现场拉曼光谱电化学研究证明了氧气还原成超氧自由基的反应是单电子反应。于是，多种电化学方法可用于研究这个反应，如
测量氧气的浓度和扩散系数，反应的电子转移速率常数等。在大电极上的电势阶跃和微电极上的稳态极化联用可以用于求解氧气的浓度和扩散系数［17］，如方程 (5)和(6)。
图2 金电极在饱和了氧气的0.1 mol/L TBAClO4-CH3CN电解液中在不同扫速下的循环伏安图［16］Fig.2 Scan rate dependent CV's in 0.1 mol/L tetrabutylammonium perchlorate(TBAClO4)-CH3CN saturated with O2，at a gold electrode［16］
车辆用锌空气电池的研制和试验
车辆用锌空气电池的研制和试验
锌空气电池是一种新型的电池类型，其基本结构为锌负极、空气正极和电解液。
该电
池具有高能量密度、环保无污染、安全性高、成本低等优点，具有广泛的应用前景。
一、研制背景及意义
二、研究方法
本次研究采用了实验研究与模拟计算的方法。
首先，在实验室中搭建了锌空气电池试
验装置，采用不同比例的锌粉、碱性电解液、碳纤维等材料，制备了锌空气电池样品。
然后，对锌空气电池进行了充放电性能测试、恒流放电测试、抗极化能力测试等，测试了其
电化学性能。
最后，对锌空气电池的性能参数进行了模拟计算和分析。
三、研究结果
1. 锌空气电池样品制备成功，其中锌负极为锌粉电极、空气正极为碳纤维电极、电
解液为碱性电解液。
2. 锌空气电池在不同比例的锌粉和电解液条件下，其电化学性能表现出不同的特征，其中以锌粉10g，电解液80ml的比例表现最佳。
3. 锌空气电池的充放电性能、恒流放电性能等方面，均表现出良好的性能。
4. 锌空气电池具有较强的抗极化能力，能够对不同的负载变化做出及时的响应，为
电动车提供可靠的动力支持。
5. 锌空气电池的性能参数模拟计算表明，其能量密度达到了420 Wh/kg，比锂离子电池高出近40%。
四、结论
本次研究成功制备了锌空气电池样品，分析了其电化学性能和其他性能参数。
通过试
验结果和模拟计算，表明锌空气电池具有高能量密度、环保无污染、安全性高等优点，且
成本较低，具有广泛的应用前景。
未来，锌空气电池在汽车领域的应用将会得到更加广泛
的推广和应用。
铝-空气电池的研究现状及应用前景
铝-空气电池的研究现状及应用前景汪云华;任珊珊【摘要】主要介绍了铝-空气电池的工作原理、优势,及铝合金阳极、空气电极、电解质和电池结构等方面的研究现状,并对铝-空气电池的应用前景进行了阐述.【期刊名称】《蓄电池》【年(卷),期】2019(056)001【总页数】6页(P1-5,50)【关键词】铝-空气电池;铝合金阳极;空气电极;电解质;新能源汽车;轨道交通【作者】汪云华;任珊珊【作者单位】云南创能斐源金属燃料电池有限公司,云南昆明 650503;云南创能斐源金属燃料电池有限公司,云南昆明 650503【正文语种】中文【中图分类】TM911.410 引言近年来，由于矿物能源的有限性，及其使用造成环境压力不断增大，开发新的清洁能源替代化石能源是政府和科研人员的当务之急。
目前，电池行业正在寻求一种可再生回收的电池体系替代传统电池。
与锂离子电池、铅酸电池等目前市场上广泛使用的电池体系相比，铝-空气电池具有高能量密度和低价格的优势，并且安全性高，易储备，能量补给方便快捷，可循环再生，不依赖于电网及阳光、风等自然条件，无毒无污染。
1 铝-空气电池的工作原理铝-空气电池是一种金属燃料电池，由正极、负极、电解液三部分组成。
正极（阴极）消耗氧气，由防水透气膜、催化剂及导电材料构成。
负极（阳极）消耗金属铝，由高纯铝、铝合金或工业铝构成。
电解液由中性盐溶液或碱金属氢氧化物（KOH或 NaOH）溶液构成。
在电池工作过程中，金属铝失去电子变为 Al3+；氧气透过防水透气膜进入正极，在催化剂的作用下与水发生电化学反应生成 OH-，从而实现化学能向电能的转换。
当电解质不同时，负极上发生的反应也不同[1]，在中性电解液中会生成 Al(OH)3 胶体，在碱性电解液中生成Al(OH)4- 或 AlO2-。
负极（铝合金电极）在中性电解液的条件下的反应方程式是在碱性电解液的条件下的反应方程式是正极（空气催化电极）发生氧气的电化学还原的方程式是因此，碱性电解液中总反应为中性电解液中总反应为此外，负极还会和电解液发生腐蚀反应，产生H2，其反应式为2 铝-空气电池的优势铝-空气电池替代汽油化石能源，应用于新能源汽车、轨道交通、备用电源、军用无人机电源、海岛区等无电地区、地质勘探等领域中[2]，相比于其它电池体系主要有以下优势：（1）能量密度高，可提供超长的续航里程。
电池的研究报告
电池的研究报告电池是一种将化学能转化为电能的装置，广泛应用于各个领域。
电池的研究可以追溯到18世纪末，当时的发明者们通过实验发现了电池的基本原理，并为今后的电池研究奠定了基础。
电池的研究主要分为两个方向：一是改进现有电池的性能，提高电池的能量密度、循环寿命和安全性；二是开发新型电池，探索新的电池材料和工艺。
在改进现有电池性能方面，研究人员主要关注以下几个方面：1.提高电池的能量密度：通过设计新的电池结构和使用高能量密度的电池材料，如锂离子电池和钠离子电池，来提高电池储存能量的能力。
2.延长电池的循环寿命：研究人员通过改进电池的电解液、电极材料和界面工程等方面，减少电池在循环充放电过程中的损耗，延长电池的寿命。
3.提高电池的安全性：电池的安全性一直是电池研究的重点之一。
研究人员通过改进电池的结构和设计新的电池材料，尽力降低电池发生短路、过充、过放等安全问题的概率。
在开发新型电池方面，研究人员正在探索一些新材料和技术，以满足现代社会对电池的需求：1.固态电池：固态电池是一种使用固态电解质而不是液态电解质的电池。
固态电池具有高能量密度、低内阻和良好的安全性等优点，因此被认为是未来电池领域的一个重要方向。
2.锂空气电池：锂空气电池使用空气中的氧气作为正极材料，锂作为负极材料，具有极高的能量密度。
但锂空气电池目前面临着催化剂的稳定性、电解液的湿润性等问题，需要进一步研究和改进。
3.有机电流电池：有机电流电池是一种新型的可充电电池，使用的是有机物质作为电极材料。
有机电流电池具有低成本、可持续发展、环境友好等特点，在可再生能源领域有着广阔的应用前景。
综上所述，电池的研究是一个广泛而深入的领域，对于实现能源领域的可持续发展和提高电池性能至关重要。
未来，我们可以期待电池研究的不断突破和进展，为我们的生活和技术发展带来更多的便利和可能性。
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电池用空气电极催化剂的研究进展
金属空气电池由于具有能量密度高、轻便及对环境无污染等优点，成为最具有开发前景的清洁能源之一。
金属空气电池以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌（或铝）作为负极活性物质，空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属锌（或铝）反应而放出电能。
由于金属空气电池的原材料丰富、性能价格比高并且完全无污染，因此，被称为是“面向21世纪的绿色能源”。
空气电极是目前影响空气电池商业化的关键因素，对空气电极进行研究，既符合国家的产业政策，又满足市场和环保节能的要求，因此具有较大的社会效益和经济意义。
1.空气电极的结构和反应机理
所谓空气电极是一种透气、不透液、能导电、有催化活性的薄膜，它在整个电池中所占的比例很小，余下的空间可以用来充填阳极材料。
在电池放电过程中空气电极作阴极，氧气沿电极表面扩散进入电极内部，在催化剂的作用下发生还原反应。
空气电极由金属导电网（镍网、铜网）、防水层、催化层压制而成（如图1所示），通常使用以PTFE(聚四氟乙烯)粘接起来的活性炭、石墨等作为电化学反应的载体。
它利用空气中的氧气作为正极活性物质来接受电子进行阴极还原。
由于氧气不能直接进行电极反应，它必须在气-液-固三相界面才能被还原。
它一面与电解质接触，另一面与氧气接触，因此空气电极是整个空气电池的关键所在。
空气电极的性能受防水层、催化层和制备工艺等多种因素的影响。
目前研究的目标集中在研究高效率的薄型空气电极技术，包括开发更好的催化剂、更长寿命的电极物理结构、低的制造成本等。