鋁-空氣電池陽極新體系的構建及其電化學行為研究

《鋁-空氣電池陽極新體系的構建及其電化學行為研究》是依託中南大學，由李潔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋁-空氣電池陽極新體系的構建及其電化學行為研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李潔
• 依託單位：中南大學

項目摘要

針對鋁-空氣電池陽極鈍化和自腐蝕導致電池功率密度和能量密度遠低於理論值的難題，兼顧電池回收需求，以99.9%化學純多孔鋁為陽極基底，鋁酸鈉溶液為電解質，將第一性原理、分子動力學模擬與電化學分析方法相結合，研究鋁陽極材料微結構與電化學性能的關係，研製三維陽極，提高電極電流密度。採用實時拉曼譜、交流阻抗譜和掃描電化學顯微鏡分析，研究多孔陽極在鋁酸鈉電解質溶液中鈍化與自腐蝕反應機理及動力學規律，建立多孔陽極鈍化與自腐蝕互動作用關係，提出陽極鈍化和自腐蝕化學控制原理，設計無機-有機雜化雙功能緩蝕劑，實現抑制陽極析氫氣的同時阻止鈍化膜形成。組裝氫氣輔助電極，消除殘餘氫氣對電池系統的副作用。通過上述研究，構建高性能鋁空氣電池陽極新體系，突破現有鋁-空氣電池能量密度和功率密度遠低於理論值的局限，形成鋁-空氣陽極體系設計基本理論,為鋁-空氣電池規模化製備提供理論支撐,推動鋁酸鹽溶液化學和鋁材電化學的發展。

結題摘要

鹼性鋁-空氣電池能量密度理論值最高達8.1kWh/kg。然而，由於陽極自腐蝕，實際只達到0.23~0.35Wh/kg（2014年文獻數據）。本項目針對鋁-空氣電池陽極鈍化和自腐蝕性導致電池功率密度低、能量密度遠低於理論值的問題，兼顧後續鋁空氣電池回收需求，以NaOH-Na2O-H2O溶液為電解質，以工業純泡沫鋁為陽極基底，提出以浸漬石墨烯的多孔三維鋁陽極替代傳統高純鑄鋁或鑄鋁合金陽極，通過提高電極比表面積和高導電性來提高陽極電流密度，提升電池功率密度，構建了高功率密度的鋁-空氣電池用陽極新體系。以Zn類無機-有機雜化雙功能緩蝕劑，在匹配的電解質溶液體系中，該陽極（純度為95.17%泡沫鋁陽極）組裝的鋁空氣電池（Pt-C為陰極）最大功率密度為80.6 mW cm-2，最佳為比容量高達1983 mAh g-1，比能量為1388 WhKg-1，陽極利用率為84.63%。同時，設計開發了一種新穎的以環保 chitosan 水凝膠膜作為隔膜的可循環可回收利用及無污染排放的扣式鋁空氣電池，為鋁空氣電池的未來發展提供了方向。通過理論化學計算結果，提出基於HOMO軌道與Al(OH)3的LUMO軌道匹配的原則篩選抑制劑的基本思路。針對鈍化反應和自腐蝕產氫反應，提出表面成膜蓋部分水（而不是OH-）還原反應活性位點的抑制機理，分別篩選具有催化作用的無機陽離子以阻止陽極自腐蝕反應。從廉價富氮、碳化合物出發，結合高溫熱解法和自發的氣泡發泡技術及自組裝技術構築了多種具有獨特結構和高活性的碳基氧還原催化劑NCNs。NCNs展現出能夠媲美Pt/C的高功率密度（333 mW cm-2）和高工作電壓平台（1.16 V）。根據實驗並結合密度泛函理論計算初步探討了N摻雜碳基催化劑的氧還原反應機理和活性位點，繪製了以過電勢為判據的ORR活性火山形曲線，為設計和開發高效的碳基氧還原催化劑提供了參考依據和理論指導。本項目在Small,Carbon, Journal of Power Sources等國際學術期刊發表論文16篇，申請專利3項。