铝空气电池性能的影响因素

探究

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

姓    名： 柴欣杏 郭璐璇  李旗航 刘语宸

沙辰欣  滕欢乐  许晋硕 张靖晗

赵子盈  周冠一

指导老师：         夏  海  燕                 

学    校：        徐州市第一中学      

日    期：        二〇二一年十一月    

 

 

铝空气电池性能的影响因素探究

                                           指导老师  夏海燕

【摘要】能源与人类的生存和发展密切相关。铝空气电池作为一种清洁能源，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点，可以在低功率条件下长时间放电，可以满足长时间工作的要求。本文探讨了影响铝空气电池性能的一些因素。通过实验结果表明：铝空气电池的不同电解液浓度对电压几乎不产生影响，电流随着电解液的浓度增加而逐渐变大；不同电解液的导电性差异较大，电解液导电强弱与电解质所带电荷数及强弱性有关。

【关键词】铝空气电池  电解质  浓度  电流  电压

一、研究背景

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。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。比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。

二、课题研究的理论依据

从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：

1.比能量高。铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到8100Wh/kg 目前研发的产品已经能达到300-400 Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。

2.比功率中等。由于空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电时极化，导致电池的比功率只能达到50-200 W/kg。

3.使用寿命长。铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。

4.无毒、无有害气体产生。电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al₂O₃·nH₂O，可用于干燥吸附剂和催化剂载体、研磨抛光磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。

5.适应性强。电池结构和使用的原材料可根据实用环境和要求而变动，具有很强的适应性。

6.电池负极原料铝廉价易得。相比于其他的金属，金属铝的价格比较低，金属阳极的制造工艺比较简单。

铝空气电池高的比能量以及它的安全及对环境无害的特点决定了它将有一个广阔的发展前景，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。为加快铝空气电池的产业化,有必要对铝空气电池进行深入研究。

三、课题研究的目标

通过这次课题研究，了解和掌握铝空气电池的工作原理、分析影响铝空气电池电压和电流的因素，通过试验找到提高铝空气电池性能的切实可行的具体措施和方法。

四、课题研究的主要内容

1.铝空气电池工作原理

铝空气电池以高纯度铝Al为负极、氧为正极，以氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。

铝空气电池工作原理为：铝负极被氧化溶解，正极上氧气还原，在正极上，O₂与电解质H₂O之间发生还原反应，消耗电子产生OH^-;在负极上Al与OH^-发生氧化反应，释放出电子，生成Al(OH)₃。通过氧化还原反应，将化学能转化为电能，反应式是：

负极：4Al-12e=4Al³⁺

正极：3O₂+6H₂O+12e=12OH^-

总反应式：4Al+3O₂+6H₂O=4Al(OH)₃↓

了解了这些基本知识之后，实验组开始思考影响铝空气电池性能的因素，得出以下猜想：铝表面的氧化膜、铝的纯度、正极的多孔性、电解液的ph值、电解液中的沉淀物、电池的形状、氧气的浓度、电解液种类以及电解液浓度这些因素会对铝空气电池的性能产生影响。

针对上述的猜想，决定选择控制变量法，只改变电解液浓度和只改变电解质种类两个实验进行铝-空气电池性能影响因素的探究。

2.实验材料及操作步骤

2.1实验材料：

万用表，测量铝空气电池的电压、电流。

碳棒，用作铝空气电池的正极。

铝箔纸，用作铝空气电池的负极。

电解液浸湿无纺，作为电池隔膜。

无水碳酸钠、氯化钠、碳酸氢钠，用于配置各种电解液。

2.2实验一：探究不同浓度氯化钠电解液对铝-空气电池的电压、电流的影响

本次进行的第一个实验是探究不同浓度氯化钠电解液对铝-空气电池的电压、电流的影响，实验中自变量为不同浓度氯化钠电解液，因变量为电压、电流。

首先，制备四种不同浓度的氯化钠溶液：0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5mo l/L和2.0 mol/L氯化钠溶液。接着，制作铝空气电池，具体步骤如下:

步骤1：氯化钠溶液使无纺布润湿，作为电池隔膜。

步骤2：用无纺布包住碳棒外面再用铝箔纸包住，碳棒为正极，铝箔为

负极。

步骤3：连接万用电表，测量电压、电流并记录实验数据。

不同浓度氯化钠的电解液作用下，铝空气电池电压、电流的测定结果如下: 

                           表1 不同浓度氯化钠电解液对电池性能影响的实验数据记录表

从以上数据可以分析道，氯化钠溶液的浓度对电压几乎不产生影响，但是随着电解液的浓度增加，铝空气电池电流逐渐变大。

2.3实验二：探究不同电解液对电池性能的影响

实验组进行的第二个实验是探究不同电解液对电池性能的影响 。在实验中，配置了0.5 mol/L的电解液的种类，分别为氯化钠、小苏打和碳酸钠溶液。使无纺布浸湿作为电池隔膜，然后绕碳棒三圈，再用铝箔绕住无纺布三圈。氯化钠电解液实验结束后，按相同的步骤依次完成碳酸钠和小苏打电解液的实验，实验组测出了在不同电解液种类的情况下电流、电压和电阻的数值，记录如下：

               表2 不同电解液（相同浓度0.5mol/L）对电池性能影响的实验数据记录表

通过实验，发现不同电解液的导电性差异很明显。在本实验中碳酸钠溶液导电性能最好，电流是1.1 毫安，它的产生的电流甚至达到了小苏打溶液的十倍左右，它的电阻也是较小的。三种电解液，导电强弱排序为：碳酸钠溶液，氯化钠溶液和小苏打溶液。  

3.实验结果与分析

3.1通过不同浓度氯化钠溶液的电解质测量铝空气电池电流电压    

从上面表1中可以分析出，氯化钠溶液的浓度增加对电压几乎不产生影响，但是随着氯化钠溶液的浓度增加，反而电流出现明显的减大。这表明铝电池的电流大小与电解液浓度变化有关，而电压大小与电解液浓度变化无关。

在氯化钠溶液浓度较低时，氯离子对铝表面的攻击较弱，铝金属表面缓慢溶解接触点的腐蚀缓慢发生。随着氯化钠浓度的升高，铝金属表面腐蚀加剧，当浓度达到3% 时腐蚀最快。当氯化钠溶液浓度继续升高超过3.5% 接近饱和状态时，腐蚀速度降低，此时氯离子吸附在铝金属表面阻碍了铝的继续溶解，出现了氯离子对阳极反应的影响。在阳极上，两个氯离子会和两个电子结合，直接生成氯气，这个反应持续，直到氯离子浓度较低为止。

阳极：2Cl_-2e===Cl₂↑

3.2通过测量不同电解质下铝空气电池的电压、电流、电阻

从上面表2中可以分析出，碳酸钠溶液导电性能最好，导电强弱排序为碳酸钠溶液>氯化钠溶液>小苏打溶液。这表明不同电解液的溶液导电性有差异。

对于为什么不同的电解液会对电流和电阻产生影响呢？通过查找资料，找到了影响电解液对电流和电阻影响的因素。

虽然碳酸氢钠跟碳酸钠都是强电解质，溶解在水中的部分是完全电离，但是碳酸氢钠在水中电离出的碳酸氢根是弱电解质，在水溶液中部分电离，所以碳酸氢钠的导电性要小于碳酸钠。氯化钠虽然也是强电解质，但是它的溶液单个单个离子所带电荷数是小于碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液的，所以它的导电能力是最低的。

4.结论

    通过上述实验过程及分析，得出如下结论

（1）同一电解液溶液的铝空气电池电压是固定的，电流随电解液浓度的增加逐渐变大。

（2）不同电解质溶液对铝空气电池的导电性能是有影响的。单个离子所带电荷数越多导电性能越强，且强电解质溶液的导电性大于弱电解质溶液。

五、课题研究的意义

本组实验探索电解液浓度和电解质种类对铝空气电池性能的影响具有理论意义和实用价值，为铝空气电池电解液的选择、铝空气电池系统的设计提供了有价值的参考材料。

铝是一种高强度的能量载体，是开发电池的理想电极材料。在当前资源匮乏，环境日益恶化的情况下，铝空气电池性能稳定、维护成本低廉颇具吸引力，外加其运行时低噪音、低消耗、无污染、无废气产生等特点，铝空气电池的研究对于可持续发展有着重要的意义。

 

 

参考文献

[1]周育红,郭兴华,张生栋,等.影响铝阳极在NaCl溶液中放电性能因素的研究[J].材料科学与工艺,2007,(2).192-196.

[2]余祖孝,陈昌国,罗忠礼.铝-空气电池电解液的研究现状[J].化学研究与应用,2004,(5).612-614,687.

[3]李振亚，刘雅惠。中性-铝空气电池及其制备方法【P】。中国发明专利：1035408，1992-04-08.

[4]仲照东，徐爱华，陈明。铝-空气电池等升压及控制装置【P】中国实用专利：2475152，2002-01-30.

附录

1、 称取氯化钠重量

    

 

2、 配比成不同浓度溶液

 

 

3、制作铝棒