Metall-Luft-Batterien haben große Vorteile in Bezug auf Kosten, Sicherheit und Umweltschutz. Ihre Rohstoffe sind Zink und Luft, die kostengünstig und leicht zu beschaffen sind und gewisse wirtschaftliche Vorteile haben.
1. Was ist eine Metall-Luft-Batterie?
Eine Metall-Luft-Batterie ist eine elektrochemische Batterie mit einer Luftelektrode als positive Elektrode und einer Metallelektrode als negative Elektrode. Bei der Entladung wandern Metallionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode und reagieren mit dem aus der Luft angesaugten Sauerstoff, um Strom zu erzeugen.
Während der Batterieaufladung Bei der elektrochemischen Reaktion trennen sich die Metallionen vom Sauerstoff und wandern von der positiven zur negativen Elektrode. Der Sauerstoff in der Luft kann kontinuierlich durch das Gas diffundieren und die elektrochemische Reaktionsschnittstelle erreichen, um mit dem Metall zu reagieren und elektrische Energie freizusetzen.
2. Zusammensetzung von Metall-Luft-Batterien
Die Struktur einer Metall-Luft-Batterie besteht hauptsächlich aus drei Teilen: einer Metallelektrode, einer Luftelektrode und einem Elektrolyten. Die Metallelektrode besteht aus Metallen wie Zn, Mg, Al, Li und Na. Die Luftelektrode besteht aus einer wasserdichten und atmungsaktiven Schicht, einer Gasdiffusionsschicht, einer Katalysatorschicht und einer leitfähigen Schicht, die aus 4 Teilen besteht. Der Elektrolyt ist wässrig (meist neutral oder alkalisch) und nicht wässrig.
Probleme wie mangelnde Stabilität und niedrige Energieeffizienz haben die Weiterentwicklung der Metall-Luft-Batterietechnologie stets eingeschränkt. Dabei spielen die elektrochemische Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) eine entscheidende Rolle für die Leistung von Metall-Luft.
3. Merkmale von Metall-Luft-Batterien
Im Gegensatz zu herkömmlichen Ionenbatterien haben Metall-Metall-Luft-Batterien eine hohe theoretische Energiedichte. Die theoretische Energiedichte von Lithium-Metall-Luft-Batterien liegt bei 3500Wh/kg, die theoretische Energiedichte von Zink-Metall-Luft-Batterien bei 1360Wh/kg und die theoretische Energiedichte von Lithium-Batterien beträgt nur 460Wh/kg.
Billige und in der Erde reichlich vorhandene Metallmaterialien verleihen Metall-Metall-Luft-Batterien erhebliche Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien. Die Herstellungskosten von Metall-Metall-Luft-Batterien können auf weniger als 1/10 der letzteren reduziert werden. Extrem niedrige Materialkosten, eine hohe Energiedichte, ein relativ einfaches Batteriedesign und gute Sicherheit machen Metall-Metall-Luft-Batterien zu einem zukunftsträchtigen Produkt.
4. Aussichten für Metall-Luft-Batterien
Die Entwicklung von Luftelektrodenkatalysatoren mit hoher katalytischer Aktivität und guter Stabilität ist ein zukünftiger Forschungstrend. So wurden beispielsweise die katalytische Aktivität und Stabilität in Metall-Metall-Luft-Batterien eingehend untersucht.
Sub-Nanometer-dicke und hochgradig gekräuselte bimetallische Palladium-Molybdän-Nanobleche zeigen eine ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität und Stabilität für Sauerstoffreduktionsreaktionen in alkalischen Elektrolyten.
Durchbrechung der Grenzen der langsamen Kinetik der Kathodenreaktion bei verwandten elektrochemischen Energieumwandlungs- und Energiespeichervorrichtungen und deutliche Verbesserung der Leistung von Zink-Metall-Luft-Batterien und Lithium-Metall-Luft-Batterien. Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.
5. Aktueller Stand der Metall-Luft-Batterien-Industrie
Bereits um 1975 hatte die Branche der Metall-Luft-Batterien unter der starken Fürsprache von kanadischen Unternehmen wie Aluminum Power eine gewisse Entwicklung erreicht. In den 1990er Jahren brachte das US-Energieministerium die Voltek A-2 auf den Markt, das weltweit erste Aluminium-Luft-Batteriesystem zum Betrieb von Elektrofahrzeugen.
Da jedoch spätere Durchbrüche bei den Schlüsseltechnologien ausblieben, verlief die Entwicklung der Metall-Luft-Batterietechnologie äußerst schleppend, und auch die Forschungsarbeiten fielen weltweit in eine Talsohle.
Mit dem Eintritt in das 21. Jahrhundert hat die Forschung und Entwicklung von Metall-Metall-Luft-Batterien eine neue Wachstumsphase eingeläutet. Die Metall-Metall-Luft-Batterien, die Forschung Fortschritte gemacht haben, gehören derzeit Zink-Metall-Luft-Batterien, Aluminium-Metall-Luft-Batterien, Magnesium-Metall-Luft-Batterien, Lithium-Metall-Luft-Batterien, etc.
Unter ihnen sind Zink-Metall-Luft-Batterien die ausgereiftesten und vielversprechendsten Metall-Luft-Batterien. Sie wurden oder werden eingesetzt in Speicherung erneuerbarer Energien und Stromversorgungssysteme wie ups Energiespeicherung. Die Installationskosten werden voraussichtlich weniger als 1/4 der Kosten für Lithium-Ionen-Batterien betragen.
6. Leistungsvergleich zwischen Metall-Metall-Luft-Batterien
- Vergleich der Leistungsmerkmale von Batterien
Zunächst sind der Strom der beiden Batterietypen bei gleicher Spannung und die maximale Leistung der Batterie fast gleich, wobei die negative Zinkplattenbatterie etwas höher ist.
Nach unterschiedlichen Entladezeiten ist jedoch der Strom der Batterie mit gepresster negativer Elektrode aus Zinkpulver bei gleicher Spannung immer größer als der der Batterie mit negativer Elektrode aus Zinkblech, und die maximale Leistung ist größer.
Der Hauptgrund dafür ist, dass Zinkpulver eine poröse Struktur, eine große Reaktionsschnittstelle, eine hohe Aktivität und einen großen Speicherplatz für die umgesetzten gelösten Stoffe hat. Daher hat es einen höheren Strom bei gleicher Spannung und die Batterie hat eine höhere maximale Leistung.
- Prüfung des Impedanzspektrums der Batterie
In den ersten 25 Stunden hat sich der Polarisationswiderstand der beiden Batterien erhöht. Der Anstieg bei der Zinkpulver-Anodenbatterie betrug nur 0,36 Ω, während der Anstieg des Polarisationswiderstands der Zinkflocken-Anodenbatterie 0,99 Ω erreichte.
Während des gesamten Prozesses ist der Polarisationswiderstand der Batterie mit gepresster negativer Elektrode aus Zinkpulver stets gering, weshalb die Batterie mit gepresster negativer Elektrode aus Zinkpulver eine bessere Ausgangsleistung aufweist.
Der Grund für den geringen Polarisationswiderstand liegt darin, dass die poröse Struktur des Zinkpulvers die wirksame Fläche des aktiven Materials vergrößert und den Kontakt zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten erhöht, d. h. es hat eine größere Porosität und eine höhere Reaktivität.
Darüber hinaus ist die negative Elektrode aus Zinkblech dicht gepackt, mit kleinem Porendurchmesser und großer Tortuosität, während die negative Elektrode aus Zinkpulver offensichtlich große Löcher, eine bessere Ionenleitung und einen geringeren ohmschen Verlust aufweist.
- Vergleich der Lade- und Entladeleistung von Batterien
Experimente zeigen, dass die Entladeschlussspannung von Zinkpulver gepressten Zink-Metall-Luft-Batterien mit negativer Elektrode nach verschiedenen Lade- und Entladezyklen immer höher, die Ladeschlussspannung immer niedriger und der Unterschied zwischen Lade- und Entladespannung kleiner ist.
In Bezug auf die Zyklenstabilität ist die Lade- und Entladeschlussspannung von Zinkpulver gepressten Zink-Metall-Luft-Batterien mit negativer Elektrode wesentlich stabiler, was große Vorteile bei der Zyklenstabilität hat.
- Zusammenfassung
- Im Vergleich zu Zinklamellenanodenbatterien ist die Leistung von Zinkpulver-Pressanoden-Zink-Metall-Luft-Batterien, abgesehen von der Anfangsphase, nach einer Betriebsdauer von mehreren Stunden besser als die von Zinklamellenanodenbatterien und bleibt bis zum Ende der Entladung.
- Beim Entladen mit einem konstanten Strom von 20 mA ist die spezifische Entladekapazität der negativen Zinkblechelektrode um 55,5% geringer als die der negativen Zinkpulver-Elektrode. Gleichzeitig ist die Entladekapazität von Batterien mit gepresster negativer Elektrode aus Zinkpulver unter Intervallentladungsbedingungen immer besser als die von Batterien mit Zinkblechelektrode.
- In den ersten 100 Zyklen erhöhte sich die durchschnittliche Entladeschlussspannung im Vergleich zur Batterie mit negativer Zinklamellenelektrode um 3,7%, und die durchschnittliche Ladeschlussspannung sowie die durchschnittliche Differenz zwischen Lade- und Entladespannung sanken um 5,4% bzw. 15,6%. .
- Zinkpulvergepresste Zink-Metall-Luft-Batterien mit negativer Elektrode haben eine bessere Leistung und sind deutlich besser als Batterien mit negativer Elektrode aus Zinkblech.
Die obigen Ausführungen beziehen sich auf Metall-Luft-Batterien. Wenn Sie sich für Energiespeicherung interessieren, können Sie auf Hersteller von Energiespeicherbatterien.
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