锌空气电池

1.锌空气电池的结构与原理

图7-14给出了锌空气电池的实物图和原理结构图。

如图7-14所示,锌空气电池由正极(空气电极)、负极(锌电极)、电解液、隔膜和外壳5个部分组成。正极的主要材料是活性炭、疏水剂(如聚乙烯、聚四氟乙烯)、催化剂(如银),负极的主要材料是锌(汞齐化锌粉、电积锌或锌屑以及打孔的锌箔等),电解液是氢氧化钾水溶液,隔膜采用玻璃纸、维尼龙纸等,外壳由塑料(聚苯乙烯、有机玻璃、ABS等)制成。

图7-14　锌空气电池的实物与原理结构图

锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似,在催化剂的催化作用下,当电池放电时,锌摄取疏松碳块内从空气中吸附到氧气,锌和氧发生化学反应生成氧化锌,其正极、负极和总反应放电时的化学反应方程式为负极:

正极:

总反应:

锌空气电池在放电过程中,由于其锌板或锌粒通常被氧化成氧化锌而几乎失效,使得锌空气电池充电过程进行得十分缓慢。加快反应速度要有足够的催化剂(如铂、银)。含有催化剂的电极表面需要同时与氧及电解液接触,才能发生氧的还原。又由于对还原有催化作用的铂族、银族氧化剂价格很贵,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电池完全更新,所以锌金属的消耗量较大。

2.锌空气电池的特性

锌空气电池主要有如下优点:

(1)比能量大。锌空气电池的理论比能量可达1350Wh/kg,目前实际质量比能量虽仅为180－230W·h/kg,但仍是铅酸蓄电池的4～6倍。体积比能量达230Wh/L,是铅酸蓄电池的2～3倍。

(2)性能稳定。单体电池一致性好,允许深度放电,电池容量不受放电强度和温度的影响,能在－20～80℃的温度范围内正常工作,可实现全密封维护,更便于电池组能量管理。

(3)安全性好。能够有效防止因泄露、短路引起的起火或爆炸。锌没有腐蚀作用,对人体不会造成伤害。

(4)充电时间快。采用机械充电模式,充电时间只需几分钟。

(5)使用成本低。锌金属来源丰富,生产成本低。电池可回收再生产,可进一步降低成本,锌在循环使用过程中不污染环境。

锌空气电池的主要问题是对空气湿度和二氧化碳非常敏感,一旦锌空气电池的密封被破坏,空气中的水分和二氧化碳就进入内部激活电化学反应,此时即使再封装,电化学反应也会继续下去直到电量耗尽。另外,锌空气电池释放电流速度缓慢,比功率较低,对车辆的动力驱动影响较大。

3.锌空气电池的应用

大型锌空气电池的容量一般在500～2000Ah,主要用于铁路和航海灯标装置上。纽扣形锌空气电池的容量在200～400m Ah,已广泛用于助听器中。

对于在汽车上的应用,因其比功率较低,在车速较高、爬坡等工况下性能不够理想;这种电池寿命只有约为300次,与其他电池相比,寿命还是太短。