基本介紹
- 中文名：鎂海水燃料電池
- 外文名：Magnesium seawater fuel cell
- 產品類型：燃料電池
- 電解質：海水
- 陽極：鎂
- 套用範圍：深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領域
種類,小功率,半燃料,大功率,存在問題,發展歷史,套用前景,
種類
小功率
這種電池以鎂為陽極 ，炭材為陰極 ，海水作電解質 ，海水中溶解的氧氣為氧化劑 ，一般為開放式結構該類鎂海水電池的電化學反應如右圖 ：
電化學反應式
與自腐蝕相共軛的是鎂陽極表面的析氫過程 ，即自放電過程 ，是影響其有效使用的主要因素。電極理想的過程控制應該是儘量控制自腐蝕過程 ，增加鎂 陽極的有效放電效率。由於電解質和氧氣直接取自海水，唯一消耗的是鎂 ，因而具有很高的比能量，且結構簡單 、造價低廉、安全可靠 、乾存儲時間無限長。由於受海水中溶解氧氣濃度限制 (約 0．3moL／m ，對應 電量 28A ·h／m )，輸出功率較小 ，適用於長期在海下工作的小功率電子儀器，如水下通訊設備、海下導航儀 、航標燈等。以鎂合金 AZ61為燃料製備了海水溶解氧電池 ：陽極鎂合金尺寸為 618．4cm×110．0cm，陰極為碳纖維 ，綁束在鐵絲上形成試管刷式結構 ，管刷直徑 9cm，l4個碳纖維刷式陰極被焊接到 4,80em 的鐵圈上 ，鐵圈被固定在 1個 1m×1m×1m 的鐵框架內，而鎂合金則固定在鐵框架中心 ；此電池的初始電壓為 1．2V(2w 負載)，20h後增加並穩定在 1.6V，總輸出功率 已達 55kW ·h。2008年 ，日本開發了深海地震探測儀 ：電池 的陽極為 4,0．184m×2．200m的鎂合金棒 ，陰極為碳纖維和鐵集流體 ；使用4組SWB1200海水電池連續對 5577m深海地床供電，5年運行結果表明，電池組的平均輸出功率為13W，能量密度能夠達到 318W ·h／kg，大大高於鹼錳電池的 150W ·h／kg。法國和挪威合作研製的名叫“CLIPPER”的 自動水下航行器 (AUV)所用的電源也是該類海水電池 ，預計可在 2m／s航 速下行駛1600海里。可見 ，其具有巨大的套用前景。以氧化處理的碳纖維刷作陰極材料 ，鎂合金作陽極材料製作3台樣機作連續實海放電測試 ，運行2個月表明，與商品化的海水電池 SWB1200初步相比，該海水超級電容溶解氧電池具有更高的體積比功率密度 。
半燃料
該類電池主要以 Mg／H2O2半燃料海水電池為主。與鋁電極相比，採用鎂電極可不添加 NaOH等鹼性電解質 ，能較大幅度提高比能量 。但能承載的電流密度較 Al／H2O2 低 ，一般在 50mA／c㎡ 以下。
中性(鹼性 )Mg／H2O2 半燃料電池一般可 表示為(一)MglNaCl(NaOH)lH2O2(+)，其電極反應 ：
半燃料鎂海水電池電極反應式
美國海軍水下作戰中心 (NUWC)為無人水下航行器 (UUV)設計的 Mg／H2O2電池 陽極為 AZ61鎂合金 ，陰極為碳載 Pd—Ir催化 ，陰極和 陽極之間用甘油處理過 的 Nafion 115隔離 ，採用雙極性堆式結構 ，電極面積 1000cm ，通過延長導流板流道來減小漏電電流 ，研製初期這種電池存在的問題是生成的Mg(OH)2和MgCO3沉澱覆蓋電極表面，向電解液中加入 0．1moVL硫酸後 ，25mA／cm放電時 ，電壓 由 1．1～1．2V(50℃)提升至 1．3～1．5V-6；最佳化工藝參數後 ，電壓達到 1．7V ，25℃時 H202的利用率達到 86％，電池本體比能量達 500—520W ·h／kg。
大功率
一： Mg／CuCI
Mg／CuCl系列海水電池負極 為鎂合金 ，正極為氯化亞銅 ，電池採用雙極性結構 。電極反應原理如下 ：
mg/CuCl鎂海水電池
為增加負極的負電位 ，使反應產物易於脫落 ，美國在鎂合金中添加了 Pb和 Ti；而俄羅斯 由於缺 Pb及 Ti，將Mg3Hg加入其 中並獲得了成功。該 Mg／CuCl系列海水電池於20世紀80年代末期就用作魚雷動力電池，其比能量可達 150W ·h／kg，價格為同容量銀鋅電池的 1／3。
二：Mg／AgCl
Mg／AgCl海水電池也是目前魚雷中套用比較廣泛的一種一次 電池，其負極是鎂合金 ，正極是氯化銀 ，採用雙極性結構。電極反應原理如下 ：
Mg/AgCl
海水是鎂陽極很好的活化溶液 ，其在海水中能長期保持活性 ；同時由於鎂的極化較大 ，對電極反應的熱效應也較大 ，保證了該電池具有 良好 的低溫性能 ，無需輔助加熱裝置就可適應 一6O℃低溫 ，以溶解度很低 的AgCl作正極。Ag／AgCl電極電位非常穩定 ，能作為中性溶液中的參比電極 ，其放電後轉化為導電性良好 的Ag，電池內阻很小 ，適用於大電流密度下工作 。因此 ，該 電池系統放 電電壓平穩 ，比能量可高達 88W ·h／kg左右 ，耐高溫 、低溫性 能均 良好 ，可進行大電流放 電。這種電池靠海水激活 ，平時處於乾態保存 ，擱置時間可長達5年，但這一體 系需要消耗貴金屬 Ag，造價高 ，其總功率有待提高。
存在問題
在海水溶液中，鎂合金作為電池陽極材料需要克服自腐蝕速率大、陽極利用率低、陽極極化 、電位滯後等問題。鎂合金放電後 ，表面的氧化膜受到不可修復的破壞，隨著自腐蝕持續進行 ，存儲性能下降。給鎂合金負極施加 陽極極化電流或電位 ，隨陽極極化電流或電位的增加 ，鎂合金陽極材料的自腐蝕電流密度反而增加 ，此現象稱為“負差數效應”。此效應是鎂 、鋁等金屬陽極溶解時存在的現象 ，是其放電電流效率降低的主要原因。
發展歷史
2020年12月3日，中國科學院大連化學物理研究所發布訊息稱，由大連化物所研製的鎂海水燃料電池系統近日順利完成了3000米水深海上試驗，實現了新型鎂海水燃料電池在深海裝備上的首次實際套用。
大連化物所方面稱，該電池系統在突破了高利用率合金陽極製備技術、長壽命陰極製備技術、全海深浮力調節技術，組合能源管理技術等關鍵技術的基礎上，開展此次深海海試工作。
在此次海上試驗中，下潛裝置由“鹿嶺號”深海多位點著陸器、“海鹿號”漫遊者潛水器、新型“鎂海水燃料電池及組合能源系統”組成。鎂海水燃料電池系統為著陸器和潛水器提供能源，實現多級高效充供電。鎂海水燃料電池的最大下潛工作深度為3252米，累計作業時間為24.5小時，累計為系統供電達到了3.4千瓦時，充分驗證了新型鎂海水燃料電池的深海供電能力及長時間放電穩定性。
該項目得到中國科學技術部國家重點研發計畫“深海關鍵技術與裝備”重點專項“深海多位點著陸器與漫遊者潛水器系統研究”項目支持。
套用前景
鎂海水燃料電池具有能量密度高、安全性好、可全海深工作的優點，在深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領域具有很好的套用前景。
