鋁空電池空氣電極復(fù)合工藝研究

李衛(wèi)民，隋 鑫，徐春波

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鋁空電池空氣電極復(fù)合工藝研究

李衛(wèi)民1，隋 鑫2，徐春波2

（1. 海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明 650031；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

鋁空電池空氣電極通常由催化層、氣體擴(kuò)散層和空氣電極三部分組成。當(dāng)催化層和氣體擴(kuò)散層制備工藝確定的條件下，空氣電極復(fù)合工藝對(duì)電極性能也有很大的影響。本文分別從復(fù)合壓強(qiáng)、復(fù)合方式和集流體三個(gè)方面，對(duì)空氣電池復(fù)合工藝進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：復(fù)合壓強(qiáng)數(shù)值為200 kgN/cm2，復(fù)合方式為室溫下冷壓，集流體為鎳網(wǎng)時(shí)，空氣電極電催化活性最大。

空氣電極 復(fù)合工藝 復(fù)合壓強(qiáng) 復(fù)合方式 集流體

0 引言

燃料電池(Fuel Cell)是將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，具有環(huán)境污染少、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

鋁-空氣電池（Aluminum-air battery）是一種特殊的燃料電池，以鋁或鋁合金燃料替代傳統(tǒng)氫燃料作為負(fù)極活性物質(zhì)，以氧氣作為正極活性物質(zhì)，電解液則多采用堿性溶液或中性溶液[1]。由于使用固體燃料替代氫燃料，鋁-空氣電池具有儲(chǔ)存方便、能量密度高、成本低廉和使用安全等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被稱為“面向21世紀(jì)的綠色能源”[2]。金屬鋁是除了鋰之外，電化學(xué)當(dāng)量最高的金屬材料，是一種理想的電極材料，同時(shí)我國(guó)又擁有豐富的金屬鋁儲(chǔ)量，具備研究開發(fā)的資源條件，因此，鋁-空氣電池具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

本文主要對(duì)空氣電極復(fù)合工藝進(jìn)行研究，通過陰極極化曲線測(cè)試，對(duì)空氣電極復(fù)合過程中的復(fù)合壓強(qiáng)、復(fù)合方式以及集流體選擇等因素進(jìn)行了分析，優(yōu)化了空氣電極復(fù)合工藝。

1 試驗(yàn)

1.1 復(fù)合壓強(qiáng)對(duì)空氣電極性能的影響

復(fù)合壓強(qiáng)的大小在某種程度上會(huì)影響空氣電極電催化活性[3]。分別在壓強(qiáng)為45 kgN/cm2、60 kgN/cm2、80 kgN/cm2、150 kgN/cm2和200 kgN/cm2的條件下，將氣體擴(kuò)散層、集流體和催化層復(fù)合成空氣電極，測(cè)試其陰極極化曲線，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著極化電位的負(fù)移，空氣電極的電流密度均不斷增加，并且空氣電極的極化隨著復(fù)合壓強(qiáng)的增加而不斷減小。當(dāng)極化電位等于-0.4 V時(shí)，復(fù)合壓強(qiáng)為45 kgN/cm2的空氣電極電流密度僅為33.25 mA/cm2。當(dāng)復(fù)合壓強(qiáng)增加至60 kgN/cm2時(shí)，空氣電極電流密度增加至39.58 mA/cm2。當(dāng)復(fù)合壓強(qiáng)繼續(xù)增加至80 kgN/cm2時(shí)，空氣電極電流密度為40.12 mA/cm2。當(dāng)復(fù)合壓強(qiáng)等于150 kgN/cm2時(shí)，空氣電極電流密度達(dá)到46.10 mA/cm2。當(dāng)復(fù)合壓強(qiáng)等于200 kgN/cm2時(shí)，空氣電極電流密度高達(dá)50.56 mA/cm2。復(fù)合壓強(qiáng)為45 kgN/cm2的空氣電極和復(fù)合壓強(qiáng)為200 kgN/cm2的空氣電極相比，在電極電位等于-0.2 V時(shí)前者的電流密度為后者的60%。因此，可以認(rèn)為，復(fù)合壓強(qiáng)為200 kgN/cm2的空氣電極電催化活性最大。

圖1 不同復(fù)合壓強(qiáng)下空氣電極的陰極極化曲線

這可能是隨著空氣電極復(fù)合壓強(qiáng)的增加，催化層、集流體和氣體擴(kuò)散層之間結(jié)合更加緊密，有利于外電路中的電子及時(shí)通過集流體轉(zhuǎn)移到催化層三相界面處，加快電極反應(yīng)。另一方面，隨著復(fù)合壓強(qiáng)越大，氣體擴(kuò)散層和催化層相對(duì)更薄，縮短了氧氣的擴(kuò)散路徑，提高了三相界面處氧氣濃度，提高了空氣電極電催化活性。由于200 kgN/cm2接近實(shí)驗(yàn)室用油壓熱壓機(jī)的量程，本文將空氣電極復(fù)合壓強(qiáng)設(shè)定為200 kgN/cm2。

1.2 復(fù)合方式對(duì)空氣電極性能的影響

空氣電極常見的復(fù)合方式有冷壓和熱壓兩種[2]。為了研究復(fù)合方式對(duì)空氣電極電催化活性的影響，分別在室溫下和溫度為180℃的條件下復(fù)合空氣電極，測(cè)試其陰極極化曲線，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著極化電位的負(fù)移，空氣電極的電流密度均不斷增加，并且熱壓后的空氣電極極化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷壓后的空氣電極。當(dāng)極化電位等于-0.1 V時(shí)，熱壓后的空氣電極電流密度為4.92 mA/cm2，冷壓后的空氣電極電流密度為25.30 mA/cm2，后者為約為前者的5倍。當(dāng)極化電位等于-0.2 V時(shí)，熱壓后的空氣電極電流密度為14.69 mA/cm2，冷壓后的空氣電極電流密度為54.51 mA/cm2，后者為約為前者的4倍。根據(jù)以上分析，冷壓后的空氣電極和熱壓后的空氣電極相比較，其電催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者?？梢哉J(rèn)為，熱壓后的空氣電極中氣體擴(kuò)散層、集流體和催化層之間的結(jié)合力會(huì)大大提高。然而，熱壓后的空氣電極電催化活性卻明顯降低，這可能是因?yàn)樵诟邷馗邏簵l件下，氣體擴(kuò)散層和催化層表面甚至內(nèi)部的孔隙坍塌，被周圍物質(zhì)填充，造成了氣體擴(kuò)散通道的封閉以及三相界面中氣孔和液孔的消失，從而導(dǎo)致氧氣擴(kuò)散困難和三相界面數(shù)目減少，空氣電極電催化活性會(huì)大幅降低。

圖2 不同復(fù)合方式下空氣電極的陰極極化曲線

1.3 集流體對(duì)空氣電極性能的影響

集流體作為空氣電極重要的組成部分，一方面起到骨架支撐作用，使空氣電極具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面起到電子傳遞作用，使空氣電極和外電路有效連接起來[3]。選擇合適的集流體對(duì)提高空氣電極性能至關(guān)重要。

圖3為不同集流體的空氣電極陰極極化曲線。從圖3中可以看出，空氣電極電流密度均隨極化電位的負(fù)移而增加。在極化電位等于-0.1 V時(shí)，集流體是不銹鋼網(wǎng)的空氣電極電流密度為25.32 mA/cm2。當(dāng)泡沫鎳和鎳網(wǎng)作為集流體時(shí)，空氣電極電流密度依次為21.53 mA/cm2和25.02 mA/cm2。集流體為不銹鋼網(wǎng)的空氣電極電流密度略大于后兩者。在極化電位等于-0.2 V時(shí)，集流體為不銹鋼網(wǎng)的空氣電極電流密度僅為48.63 mA/cm2。當(dāng)泡沫鎳和鎳網(wǎng)作為集流體時(shí)，空氣電極電流密度依次為55.38 mA/cm2和60.81 mA/cm2。集流體為不銹鋼網(wǎng)的空氣電極電流密度明顯小于后兩者。集流體為泡沫鎳的空氣電極和集流體為鎳網(wǎng)的空氣電極相比，前者的電催化活性略大于后者?？梢哉J(rèn)為，這是由于集流體電阻率的不同造成的。由于空氣電極在鋁-空氣電池中的電極電位一般處于-0.2 V至-0.4 V之間，因此鎳網(wǎng)作為空氣電極集流體最為合適。

2 結(jié)論

本文根據(jù)空氣電極的電催化活性，對(duì)空氣電極的復(fù)合工藝進(jìn)行了初步探討，得到以下點(diǎn)結(jié)論：

1）空氣電極電催化活性隨著復(fù)合壓強(qiáng)的增加而增加，由于油壓熱壓機(jī)量程的限制，空氣電極復(fù)合壓力以200 kgN/cm2為最佳。

2）熱壓后的空氣電極電催化活性大大降低，因此選擇室溫下冷壓作為空氣電極的復(fù)合方式。

3）不銹鋼網(wǎng)、泡沫鎳和鎳網(wǎng)相比，鎳網(wǎng)更適合作為空氣電極的集流體。

圖3 不同集流體的空氣電極陰極極化曲線

[1] 房振乾, 劉文西, 陳玉如. 鋁空氣燃料電池的研究進(jìn)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2003.

[2] 鞠克江, 劉長(zhǎng)瑞, 唐長(zhǎng)斌等. 鋁空氣電池的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J]. 電池, 2009.

[3] 王力臻. 化學(xué)電源設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

Technical Research on Air Electrode Composite Process of Al-air Battery

Li Weimin1, Sui Xin2, Xu Chunbo2

(1. Naval office in Kunming, Kunming 650031, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430063, China)

TM911.41

A

1003-4862（2018）08-0048-03

2018-04-10

李衛(wèi)民（1973-），男，高級(jí)工程師。專業(yè)方向：水中兵器。E-mail: svensui@hotmail.com