鋅-空氣電池工作原理

鋅空氣電池是以空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)的一種新型化學(xué)電源。鋅空氣電池是一種半蓄電池半燃料電池。首先，負(fù)極活性物質(zhì)同鋅錳、鉛等蓄電池一樣封裝在電池內(nèi)部，具有蓄電池的特點(diǎn)；其次，正極活性物質(zhì)來自電池外部的空氣中所含的氧，理論上有無限容量，是燃料電池的典型特征。

鋅空氣電池可以表達(dá)為：

(-) Zn | KOH | O₂ ( )

鋅空氣電池放電時(shí)陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為：

Zn 4OH^-→Zn(OH)₄^2- 2e^-

Zn(OH)₄^2-→ZnO 2OH^- H₂O

O₂ 2H₂O 4e^-→4OH^-

總的電化學(xué)反應(yīng)為：

2Zn O₂→2ZnO

鋅空氣電池的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：

1、早在19世紀(jì)初，空氣電極就有報(bào)道。但直到1878年，采用鍍鉑炭電極代替勒克朗謝電池中的陽極二氧化錳，才真正制成第一個(gè)空氣電池。但當(dāng)時(shí)采用的是微酸性電解質(zhì)，電極性能極低，因而限制了鋅空氣電池的使用范圍。

2、1932年，海斯（Heise）和舒梅歇爾（Schumacher）制成了堿性鋅空氣電池。它以汞齊化鋅作為負(fù)極，經(jīng)石蠟防水處理的多孔碳作為正極，20%的氫氧化鈉水溶液作為電解質(zhì)，使放電電流有了大幅提高，電流密度可達(dá)到7~10mA/cm²。這種鋅空氣電池具有較高能量密度，但輸出功率較低，主要用于鐵路信號(hào)燈和航標(biāo)燈的電源。

3、20世紀(jì)60年代，由于燃料電池研究的需要，高性能的氣體電極被成功研制。這種新型氣體擴(kuò)散電極具有良好的氣/液/固三相結(jié)構(gòu)，放電電流密度達(dá)到100mA/cm²，從而使高功率鋅空氣電池得以實(shí)現(xiàn)。1977年，小型高性能的扣式鋅空氣電池已成功進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，并廣泛用于助聽器的電源。

4、近年來，隨著氣體擴(kuò)散電極理論的進(jìn)一步完善，以及催化劑的制備和氣體電極制造工藝的發(fā)展，使電極性能進(jìn)一步提高，電流密度可達(dá)到200~300mA/cm²，甚至有些達(dá)到500mA/cm²；同時(shí)，對(duì)鋅空氣電池氣體管理的研究（如水、二氧化碳等），提高了鋅空氣電池的環(huán)境適應(yīng)能力，為大功率鋅空氣電池的產(chǎn)品化開發(fā)提供了技術(shù)保障，同時(shí)也使各種鋅空氣電池體系逐漸走向商品化。

鋅-空氣燃料電池具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等優(yōu)點(diǎn)，因而被專家們認(rèn)為是裝備電動(dòng)汽車等的理想動(dòng)力電源。鋅-空氣電池的電壓為1.4 V左右，放電電流受活性炭電極吸附氧及擴(kuò)散速度的制約。每一型號(hào)的電池有其最佳使用電流值，超過極限值時(shí)活性炭電極會(huì)迅速劣化。電池的電荷量一般比同體積的鋅錳電池大3倍以上。大型鋅-空氣電池的電荷量一般在500~2 000 A·h，主要用于鐵路和航海燈標(biāo)裝置上。紐扣形鋅-空氣電池的電荷量在200~400 mA·h，已廣泛用于助聽器中。如果能普及使用鋅-空氣燃料電池的話，可大大減少空氣和噪聲污染。因此，由美國(guó)能源部和中國(guó)科技部授權(quán)成立的“美中能源環(huán)境技術(shù)交流中心”已經(jīng)把鋅-空氣動(dòng)力燃料電池作為向中國(guó)推薦的重點(diǎn)合作項(xiàng)目。我國(guó)是鋅儲(chǔ)量居世界第一的國(guó)家，在氫氧燃料電池車的商業(yè)化面臨價(jià)格昂貴、投資巨大、技術(shù)瓶頸一時(shí)難以逾越的時(shí)候，鋅-空氣燃料電池的誕生也許可為環(huán)保汽車的普及提供一條捷徑。由鋅-空氣燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車已經(jīng)走上了上海街頭，這款鋅-空氣燃料電池車最大的特點(diǎn)是續(xù)駛里程長(zhǎng)，可以達(dá)到200 km以上；另一個(gè)獨(dú)特之處是它采用換電池來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電動(dòng)車充電的方式，每次換電池大約3 min。

鋅空氣電池的優(yōu)勢(shì)

1、比能量大。鋅空氣電池的比能量是鉛酸蓄電池的4～6倍，比鋰離子電池比能量都大1倍，以其作為動(dòng)力的電動(dòng)汽車最大行程可達(dá)400km，而以同等質(zhì)量的鉛酸蓄電池裝同樣的車一般行程則不大于100km。

2、制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。大批量成本約為300~500元/kVAh，比鉛酸蓄電池的還低。

3、安全可靠。即使外部遇到明火、短路、穿刺、撞擊等情況，都不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸。

4、環(huán)保。電池正極采用活性碳、銅網(wǎng)，負(fù)極采用金屬鋅，沒有使用一些有毒害的物質(zhì)。

5、可再生利用。鋅電極使用完后，可通過再生還原得到再次使用。另外，鋅電極也可以采用機(jī)械充電方式，即將用完后的鋅電極從電池中取出，放入特制的槽中充電。鋅空氣電極可以重復(fù)使用多次，還可以制成直接充電的鋅空氣電池，簡(jiǎn)稱二次鋅空氣電池。湖南豐日電源電氣股份有限公司，曾研制出的二次鋅空氣電池，充電循環(huán)壽命達(dá)100次以上。

6、由于鋅空氣電池的充電主要是更換極板，所以極板的再生可以集中進(jìn)行。極板的分發(fā)可以像商店那樣布點(diǎn)，不必建立專用的充電站。這不但可以節(jié)約大量先期投資，而且給用戶帶來很多方便。

鋅空氣電池的弊端

1、使用成本相對(duì)高，充電過程相對(duì)復(fù)雜。因?yàn)殇\空氣電池通常都是機(jī)械充電方式，要求將鋅電極取出在專用充電槽中充電，只有專業(yè)人員才能進(jìn)行操作，給使用帶來了麻煩，同時(shí)也提高了人工費(fèi)用，造成實(shí)際運(yùn)行成本的附加值較高。

2、實(shí)際使用壽命短，為1~2年，這主要不是因?yàn)殡姵氐碾娀瘜W(xué)性能差，而是電池的結(jié)構(gòu)帶來的影響。如電池的外殼是由塑料包覆空氣電極而成，不是完整的塑料槽，因此給電池的密封帶來了困難，不少電池在使用一定時(shí)間后就出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。其次，鋅空氣電極必須制成多孔狀，多孔的電極可以吸附氧氣，但同時(shí)也吸附部分二氧化碳，使電解液碳酸鹽化，致使電池的效率大大下降。

3、批量生產(chǎn)加工工藝不夠成熟。這主要是催化膜和防水透氣膜的制造，大多需要半機(jī)械操作，存在一些手工因素，導(dǎo)致電極性能有差異。