铝-空气电池空气电极的研究概述本文重要介绍了铝-空气电池及其发展前景和研究现状。运用静电纺丝法制备钴碳复合纤维材料用于铝-空气电池的空气阴极，不同掺杂浓度的过渡金属钴氧化物作为氧还原催化剂催化空气电极反映。对制备的碳纤维空气电极进行了SEM、TEM和激光拉曼光谱的测量和分析，具体的电化学实验表明，6.6%的硝酸钴掺杂质量分数的样品体现出最佳的性能。我们探索适宜的催化剂浓度来提高碳纤维材料的氧还原催化能力的自组合的空气电极的制备。电池放电实验是在二电极系统采用复合碳纤维空气阴极和一种铝板阳极，电解液为2mol/LNaCl水溶液的封闭系统。1.1铝-空气电池铝是地壳中储量最多的金属，全球的工业储量超250亿吨[1]，其金属单质含有较活泼的还原性，该金属能量密度仅次于金属锂，其理论电化学当量2.98Ah/g，体积当量8.04Ah/cm3[2]。现在工业上已能通过电解方式大规模便宜获得金属铝，金属铝含有易保存、易运输、易加工、反映安静且安全、对环境和谐无污染的特性，因此金属铝在能量储存和转换方面的应用始终以来就备受人们的重视。1850年Hulot尝试性采用铝作电池阴极，1960年左右Zaromb等人拟定了铝-空气电池的可行性；EIecrodynamics、Dow及LLNL等公司联合构成的Voltek公司开发出第一种用于驱动汽车的实际应用动力型VoltekA-2铝-空气电池[2]。据悉，在YangShaohua等人研究的铝-空气电池中，回收反映产物的铝阳极的成本价格约为6元人民币每公斤，在铝-空气电动汽车中总效率能够达成15%（为当时实验阶段的数据，后期可达成20%），比普通电动汽车13%的效率要高。其设计的电池能量密度为1300Wh/kg，并且有望达成Wh/kg。整个电池系统估价为30美元每千瓦，并在实际规模生产中可能减少到29美元每千瓦。并且作为电动车的推动动力，铝所含能量以单位重量计约为单位重量汽油的二分之一，以单位体积计约为汽油的3倍[15]。表1-1多个种阳极材料有关参数阳极材料比能量（KWh/kg）负极电势（vs.SHE）电化学当量（Ah/g）理论电压（V）实际电压（V）Li13.0-3.053.863.42.4Al8.1-2.302.982.71.2-1.6Mg6.8-2.692.203.11.2-1.4Ca4.6-3.011.343.42.0Fe1.2-0.880.961.31.0Zn1.3-1.250.821.61.0-1.1铝-空气电池含有很高的比能量，理论上可达8100Wh/kg[1]。同样能量的铝-空气电池其质量仅为铅酸电池的12%-15%，这一数值远高于当今多个电池的比能量。能够与其比能量相称的只有Li-SOCl2电池，但Li-SOCl2电池安全性远远赶不上铝-空气电池，这也致使Li-SOCl2电池无法应用于动力电池[7]。即使现在的铝-空气电池还无法像现有的化学充电电池同样进行循环充电，但我们能够通过更换铝金属电极的方式进行快速的物理“充电”，加之铝的便宜易得，易回收无污染，这使铝-空气电池在用作动力电池上有着非常明显的优势。据悉，用铝-空气电池驱动汽车，在相似发动机重量的状况下，补充一次铝能够使汽车行驶1600km[4]；而美铝加拿大公司和以色列Phinergy公司也向大众展示了能让汽车持续行驶19小时1800km的铝空气动力电池。表1-2铝-空气电池和5种蓄电池比较[3]铝-空气电池比功率中档，有关已报道的较大比功率在400W/kg左右，电池放电性能平稳，比功率难以提高显然是由氧电极（空气电极）催化性能所决定的，其它的金属燃料电池和氢氧燃料电池的比功率不高，其因素也多在于氧电极的催化性能。铝是一种高强度的能量载体，普通的金属铝表面会产生一层保护膜造成电极电位明显低于理论值，而在铝活化状态下的抗腐蚀性会下降。即使金属铝的钝化膜只有几个纳米厚，但会引发负极极化增大、电位正移和电压滞后现象。铝的氧化(钝化)发生有3个阶段：无定形氧化物生长阶段、品体氧化物形成时期和氧化变得极慢时期[4]。铝-空气电池构造比较简朴，其使用寿命很大程度上只取决于空气电极的寿命，由于铝阳极是能够更换的，电解液也是能够添加或更换的，只要提高空气电极的寿命，更精确的说是提高催化剂的寿命，铝-空气电池就能长久使用。现在，铝-空气电池尚有某些技术难点，例如铝-空气电池比较依赖于环境条件需要在空气环境中使用，但电解质（普通为液体）暴露在空气中溶剂会逐步蒸发，可能会造成极板的寿命缩减；空气电极如果...
