探究铝空气电池性能的影响因素
探究影响铝--空气电池性能的因素
姓 名 胡雨阳
指 导 教 师 秦琴
学 校 徐州市第一中学
日 期 2021.12.20
探究影响铝-空气电池性能的因素
姓名：胡雨阳
指导教师： 秦琴
【摘要】金属铝（Al）是一种银白色的轻金属，在地壳中的含量仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的元素。铝-空气电池是以空气中的氧为正极活性物质，铝为负极活性物质，空气中的氧通过气体扩散电极到达电化学反应界面，与铝反应，放出电能。本研究探究了影响铝空气电池性能的因素，通过控制变量共做两组实验：（1）不同浓度氯化钠电解液对电池性能的影响。（2）不同电解液对电池性能的影响（碳酸钠溶液、小苏打溶液、氯化钠溶液）。实验表明浓度越大的氯化钠电解液的导电性能最好，不同电解液的导电性能差异明显，三种电解液导电强弱排序为碳酸钠溶液＞氯化钠溶液＞小苏打溶液。本实验目的是探究理论和应用铝-空气电池，充分利用铝-空气电池。
【关键词】铝-空气电池；不同浓度电解液；不同电解液
一、研究背景
在实际生活中，铝空气电池对化解铝产能过剩的有很大的作用，主要体现在汽车运行过程中对铝的消耗方面。按照中国目前的汽车产量和汽车保有量来看，汽车运行通过铝空气电池对铝的潜在市场需求巨大。同时也有很多的相关信息，目前普通小型汽车运行100公里所需要3公斤的铝，按照每辆车每年运行15000公里计算，每辆车每年通过铝空气电池对铝形成的潜在需求约450公斤。据统计，中国2013年汽车产量为221168万辆，汽车用铝空气电池若能实现产业化，并对每年的汽车产量实现100％能源替代，则年新增汽车量通过铝-空气电池产生的铝的需求量为995.3万吨，约占2013年国内铝消费量2480万吨40％。同时，从国内汽车存量角度来看，2013年我国汽车保有量已达1.37亿辆，汽车用铝-空气电池若经过几年后实现对燃油能源的完全替代，则1.37亿辆汽车保有辆的整体市场规模将通过铝空气电池对铝形成每年约6165万吨的市场需求。可以看出，铝空气电池在电动汽车领域的产业化应用，将为铝的应用开辟新的市场空间，成为铝消费增长的主要发动机，并将使铝行业换发新的市场活力，对化解我国电解铝产能过剩具有重大意义。
铝空气电池还在未来的发展上有重大意义，因为铝本身具有低消耗、无毒、高比效率和比能量密度等优点，它受到了各国政府和研究者的极大重视，多伦多大学的科学家宣称虽然镍-金属氢化物电池和锂离子电池代表了电池技术的一次巨大的进步，但是与铝空气电池相比，它们的力量就黯然失色了。目前，国外对铝空气电池的各项技术的研究得到了极大地发展，其商业化应用得到了证实，但是多数阳极基质为高纯铝，成本很高，而实际上大多数的铝纯度较低，由于其中含有大量的铁杂质，其电化学能远不及高纯铝。所以在研究铝阳极合金的同时要进行工业铝阳极的应用研究。对廉价高效的催化剂的不断探索也是推动铝空气电池向前发展的一大动力。
二、实验材料
1.实验仪器：DT83系列31/2位数字多用表、QC PASS 200 g/0.01 A型号电子天平、烧杯，碳棒，铝箔，滴管，无纺布，标签纸，称量纸
2.试剂：氯化钠（微创博志教育出品）、碳酸钠（微创博志教育出品）、小苏打（微创博志教育出品）
三、研究过程
实验一：不同浓度氯化钠电解液对电池性能的影响
1、制备不同浓度氯化钠电解液
1.1. 取水
用500 mL烧杯取约300 mL 水。分别装到4个100 mL的烧杯中，每个烧杯加入500 mL的水;
1.2写标签贴在100 mL的烧杯上
在标签纸上分别写上“0.5 mol/L氯化钠溶液”、“1.0 mol/L氯化钠溶液”、“1.5 mol/L氯化钠溶液”和“2.0 mol/L氯化钠溶液”，分别贴在烧杯上（1个烧杯1个标签）；
1.3称氯化钠配溶液
打开电子天平，放上称量纸，量取1.5 g，2.9 g，4.4 g和5.9 g的氯化钠固体，分别放进对应的烧杯中（对应关系见表1-1），配置成0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L四个不同浓度的氯化钠溶液；
表1-1氯化钠溶液的配置
氯化钠浓度（mol/L） 0.5 1.0 1.5 2.0
氯化钠 （g） 1.5 2.9 4.4 5.9
水（mL） 50 50 50 50
2、铝空气电池的制作
1.1制作电池隔膜
用滴管量取步骤1中配置的0.5 mol/L氯化钠溶液6mL，滴加到5 cm x 5 cm的无纺布上,使无纺布润湿，作为电池隔膜；
1.2缠绕碳棒
用无纺布包住炭棒缠绕3圈，外面再用6 cm x 6 cm的铝箔纸包住缠绕3圈（注意铝箔与碳棒不能接触）；
1.3测量电压、电流
连接万用电表，碳棒为正极，铝箔为负极，测量电压、电流并在表1-2中记录实验数据；
3、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
第一组实验结束后，按相同的步骤依次完成1.0 mol/L、1.5 mol/L和2.0 mol/L的实验并在表格中记录数据，根据实验结果，分析讨论不同浓度氯化钠电解液对电压、电流的影响；
4、电解液的留存
实验结束后，将不同浓度的氯化钠溶液倒入贴有对应标签的50 mL分装瓶中，以备后续实验使用。
注意事项：
1、不同浓度电解液试验时，每次滴加电解液的体积保持一致。
2、开始一段时间电压不稳定，建议等1--2分钟，万用表的示数稳定后再测或每个电池均等待相同时间后再测。
表1-2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
氯化钠浓度（mol/L） 0.5 1.0 1.5 2.0
电压（V） 0.62 0.65 0.67 0.70
电流（mA） 1.60 2.00 2.40 3.22
实验二：探究不同电解液对电池性能的影响
1、不同电解液的配置
1.1小苏达电解液
称量2.1 g的小苏打在100 mL烧杯中溶于50 mL水，配制0.5 mol/L的小苏打溶液，贴上对应标签；
1.2碳酸钠电解液
称量2.7 g的碳酸钠在100 mL烧杯中溶于50 mL水，配制0.5 mol/L的碳酸钠溶液，写好标签贴在烧杯上；
1.3氯化钠电解液
上次实验已配好的0.5 mol/L氯化钠溶液直接用于本次实验；
2.制作铝-空气电池
2.1制作电池隔膜
用滴管量取实验一中配置的0.5 mol/L氯化钠6 mL，滴加到5 cm x 5 cm的无纺布上，使无纺布润湿，作为电池隔膜
2.2缠绕碳棒
用无纺布包住碳棒缠绕3圈，外面再用6 cm x 6 cm的铝泊纸包住缠绕3圈（注意铝箔与碳棒不能接触）；
2.3测量电压、电流
连接万用电表，碳棒为正极，铝箔为负极，测量电压、电流并在表1-2中记录实验数据；
3.不同电解液作用下，铝-空气电池电压、电流的测定
氯化钠电解液实验结束后，按三相同的步骤1和2一次完成碳酸钠和小苏打电解液的实验并在表2-1中记录数据，根据实验结果，分析讨论不同电解液对电压、电流、电阻的影响。
注意事项：
1.每次滴加电解液的体积保持一致。
2.开始一段时间电压不稳定，建议等1--2分钟，万用表的示数稳定后再测，或每个电池均等待相同时间后再测。
表2-1不同电解液对电流、电阻的影响实验数据记录表
电解液 氯化钠溶液 小苏打溶液 碳酸钠溶液
电流（mA） 1.05 0.26 2.71
电压（V） 0.58 0.55 1.40
电阻（Ω） 552.38 2115.38 516.61
三、结果与分析
1. 通过图1发现，随着氯化钠电解液浓度的增大，电流也增大，电解液浓度对电压的影响不明显。
图1不同浓度氯化钠电解液对电池性能影响的实验数据折线图
2. 通过图2和图3发现，不同电解液的导电性差异明显，本实验中碳酸钠溶液导电性好，其导电电流为2.71 mA.三种电解液导电强弱排序为碳酸钠溶液>氯化钠溶液>小苏打溶液。
图2不同电解液对电流、电压的影响
图3不同电解液对电阻的影响
铝-空气电池的工作原理：电池放电时，铝负极被氧化溶解，正极上氧气被还原。在正极上，O2与电解质H2O之间发生还原反应，小号电子产生OH-；在负极上Al与OH-发生氧化反应，释放出电子，生成AlOH3.区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的碰撞完成的，二十还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上的电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。
作为一种特殊的燃料电池，铝- 空气电池在军事、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。目前铝空气电池尚未在工业和民用领域得以大规模推广应用，主要是由于材料制备技术有待完善和对其二次充放电的理念和认识。
这次的实验让我享受探索真理的乐趣，实践了科学方法，记住了通过自己实践的结果，这对于我来说是一次很大的收获。
四、结论
铝在全球的工业储量已超过250亿吨，成为世界上产量最大、应用最广的有色金属。由于铝的电子价购极具特色，Al3+有3个共价键，3个配位键，及溶于酸又溶于碱，具有多种化学形态，而且电阻率仅为2.76μQcm-1, 电化学摩尔量为0.3356gA-1.h-1, 因而将铝用于电池开发是具有可行性的。然而铝-空气燃料电池还不能完全地商业化应用，这是由于铝在碱液中的腐蚀速度太快，产生大量的氢气，导致负极的法拉第效率极低；同时铝表面所覆盖的氧化膜，致使铝负极电位升高，降低了负极的电压效率，所以往往需要向纯铝中加入少量金属元素，能改变铝的电化学活性，增强其抗腐蚀性能，减小负差效应。通过实验发现，随着氯化钠电解液浓度的增大，电流也增大，电解液对电压的影响不明显；不同电解液的导电性差异明显，本实验中碳酸钠溶液导电性好。
六、参考文献
期刊类：[1]阙奕鹏，齐敏杰，史鹏飞，铝-空气电池研究进展 [J].电池工业，2019，23（3）：147-150
伍赛特.铝-空气电池用于汽车动力装置的技术现状及前景展望[J].小型内燃机与车辆技术，.2019，48（1）：78-80
论文类:[1]熊亚琪.铝空气电池的基础研究[D].长沙：中南大学，2014
附录：
使用万用表测量电流、电压
使用万用表测量电流、电压
