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鋁/空氣電池充油助力高比能量動力電源

作者:中國儲能網新聞中心 來源:ScienceAAAS 發布時間:2018-11-09 瀏覽:
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中科院青促會 王二東

(中科院大連化學物理研究所)

評述論文:Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement(Science 9 Nov. 2018:Vol. 362, Issue 6415)

自上世紀60年代被Zaromb發明以來,鋁/空氣電池以其超高的理論比能量(8046 Wh/kg)[1]一直備受關注,被認為適用于離網供能系統和動力裝置増程電源。然而,由于金屬鋁的活性大于氫,鋁負極在水溶液中發生劇烈的析氫反應,嚴重降低了鋁空氣電池的待機(開路)貯存壽命。即便采用目前最先進的腐蝕抑制手段,鋁/空氣電池在開路狀態下貯存一個月的自放電率也已超過80%,難以滿足實際使用需求。數十年來研究者們提出了多種技術途徑解決鋁負極的析氫腐蝕問題,包括:(1)鋁負極合金化;(2)電解質中添加析氫抑制劑;(3)凝膠電解質;(4)離子液體電解質;(5)電池停止工作后排空電解液,并用水或酸性溶液清洗電極表面。不過,上述解決途徑均是以犧牲電池比能量和比功率為代價,合金化和析氫抑制劑雖可有效降低鋁/空氣電池在工作狀態下的腐蝕速率,但在開路狀態下仍需配合途徑(5),而途徑(5)需要額外增加溶液和相關容器,從而降低了電池的比能量;凝膠和離子液體電解質的使用雖可使鋁負極的腐蝕速率降低約三個數量級,但這也同時會降低電解質的電導率,從而使電池比功率明顯降低。

在本期科學雜志中,來自MIT的Brandon J. Hopkins提出抑制鋁/空氣電池開路腐蝕的新途徑:在鋁/空氣電池待機狀態下快速(50s)充油來避免其自放電(圖1)。作者發現對于高熱穩性和耐腐蝕性的全氟聚醚油(PFPE),鋁負極和親水處理的聚四氟乙烯隔膜(PTFE)表現出良好的水中疏油特性(圖2),因此鋁/空氣電池充油后并不會污染鋁負極、隔膜和電解液,對電池性能無負面影響。相比之前研究者提出的解決方法,該方法具有以下優點:(1)電池峰值功率密度無明顯降低,充油后的鋁/空氣電池可達300 mW/cmgeo2,傳統鋁/空350 mW/cmgeo2;(2)油的質量僅占鋁空氣電池系統總質量的13%,需要起停數百次的鋁空氣電池比能量仍高達530 Wh/Lsys和680 Wh/kgsys。該工作提出了解決鋁/空氣電池開路狀態下鋁負極腐蝕問題的新思路,有利于推動該電池技術的實用化,助力高比能量動力電源的大規模應用。

圖1.傳統鋁空和充油鋁空示意圖及性能對比

圖2.兩種油和隔膜的性能對比

參考文獻:

[1] Q. Li, N.J. Bjerrum, Journal of Power Sources,110 (2002) 1-10.

關鍵字:鋁/空氣電池

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