水体系锂空气电池的发展现状,锌空气电池

日前,工信部批复了《电动汽车用锌空气电池行业标准》,并将于11月正式实施。这种以空气作原材料的锌空气电池,正式走入大众视野。和传统锂电池相比,锌空气电池储存能量要大一倍,价格更便宜,安全又环保。同时,它还是很多仪器仪表的动力支撑。比如说各种信号灯,以及助听器等仪器。

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近年来汽车用蓄电池的开发成为关注焦点。锂离子电池与其它可充电电池相比,具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电低等优点,已成为21 世纪重要的新型能源之一。但日本新能源产业技术综合开发机构的Li-EAD 计划中设定了至2030 年蓄电池达到700 Wh/kg 的高性能指标。这是目前比能量较大的锂离子电池也不能达到的数值。而锂空气电池拥有非常高的能量,比能量可大于1000 Wh/kg,存储时间可以很长。与其他原电池相比,锂空气电池的功率比较低,更适合用于混合系统,因此锂空气电池可能是最好的候补,未来有望被开发为二次电池。美国计划在2025 年左右将锂空气电池引入到单兵系统,至2030 年它将取代锂碳氟化物及锌空气电池,成为军事领域重点应用的一次电池。

一名研究锌空气电池的专家则认为,一个砖块大小的锌空气电池能量可媲美一纸箱传统电池。由于技术不成熟,锌空气电池离产业化还有一定距离。“除了空气和金属锌,锌空气电池还需要其他微量元素参与化学反应,这些微量元素价格都不低。锌空气电池电量耗完后,需要厂家进行电解还原后,才能恢复电量,这需要建立类似于加油站的电池交换站。此外,锌空气电池汽车,在功率及加速度上,仍无法与传统汽车相比,目前只有城市观光车、邮政车等使用锌空气电池。

常见的扣式电池按化学组成有这样几种:碳性,碱性,锌-氧化银,锌-空气,锂-二氧化锰,镍镉充电扣式电池,镍氢充电扣式电池等。如果按照外形就有单体和层叠的区分了。详细的来说碳性扣式电池最常见,也最便宜,碱性的贵一点,但是放电效果好。这两种电压都是1.5V,从碱性AG1到AG13,标称容量大约从15mAh到 140mAh不等。适合微安级的放电要求。多用在计算器,电子玩具,助听器,打火机,手表等等。

金属空气电池负极适合用的金属为锌、铝、镁、锂等能使单体产生大电压的金属元素。锌空气电池自1970 年曾作为日本国家开发计划“电动车用电池”课题进行研究,作为二次电池,它的循环特性不好,充电时过电压高,能量转换效率低而得不到所期待的特性,因此中断了作为二次电池的开发,而作为一次电池被广泛使用。

信号灯部分可以是12V供电或24V供电。不同厂家的信号灯可能供电电压不一样。接线还分共阳极和共阴极接法,共阳极指的是所有信号灯的正极和电池正极直接连接,无线信号机控制信号灯的负极端。而共阴极指的是所有信号灯的负极和电池负极直接连接,无线信号机控制信号灯的正极端,多数厂家都是共阴极接法。

锌-氧化银扣式电池,算是扣式电池中的佼佼者了。电压1.55V,容量高于碳性,碱性扣式电池,高阶放电曲线平稳,大约有90%的部分始终稳定在1.45V 以上,放电曲线几乎成一条直线,然后迅速掉电,电压竖直掉下去。主要的用途是:计算器,助听器,相机,手表等。特别指出一点,这种电池的防漏液效果特别好,而且长效使用效果也不错,我曾经给客户更换过两块放在单反相机里面为测光系统供电的国产达利AG13号电池,用了8年多,才更换新品,而且一点漏夜迹象都没有。

锂空气电池是金属锂和氧气组合,不计氟元素在正极使用的情况下,可得到理论上最大的比能量。这种电池作为蓄电池的最初记录是1996 年美国的Abraham。金属锂做为负极,复合碳电极,用胶体作为电解质,酞青钴作催化剂制成,之后直到现在还一直是使用有机物电解质的锂空气电池作为主要研究开发对象。在电解液为非水体系的情况下,充放电反应是:2 Li+O2=Li2O2(单体的起始电压为3.0 V),在空气电极附近析出难溶的Li2O2。非水体系电解液的锂空气电池的结构较单一,除空气电极之外,可利用锂离子电池的技术,溶剂也与反应无关。但是作为课题,锂的枝晶问题还没有好的应对方法,大气中H2O、CO2的影响所产生的副反应,放电生成物析出导致空气回路的堵塞,大的充放电过电压导致的催化剂问题,以及空气电极炭集流体的腐蚀等。Li2O2析出反应的抑制直接关系到电池的放电容量,关于Li2O2析出的另一个问题是充电时过电压较大,这不仅关系到能量的转换效率,还会引起Li2O2析出载体炭的氧化等新问题。锂离子与氧气共存的条件下,碳材料的电位升高,生成碳酸锂,过高的电压有可能导致电解液分解,因此对空气电极有各种讨论,如Bruce 等研究小组报道了α-MnO2的纳米线与碳进行复合,具有高的可逆性。

蓄电池部分,具体配置要根据信号灯灯盘功率和数量来配置。如一个方向有2组灯,分别是左转红、黄、绿和直行红、黄、绿,每个灯盘在12V供电下功率4W,因为一组灯每个时刻只会有一个灯盘亮,这样总功率就是2*4W=8W,如果要稳定运行7天,电池按80%效率放电,总共需要8*24*7/0.8=1680W,也就是需要140AH的蓄电池,一般配150AH蓄电池。太阳能充放电控制器是用来控制电池板对蓄电池充电的,可以保护蓄电池防止过冲、放电,提高蓄电池使用寿命。

扣式电池除了可以单体电池供电外,由于其体积小,还发展了高伏电池-即将多支扣式电池层叠,常见典型的型号有:6F22,F22,15F20,10A,11A,23A,25A,26A,27A,476A,120H7D,2X625A等等。

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助听器使用的都是一次性的锌空电池。为什么高级助听器一定要使用锌空气电池?这种电池有何优点?锌空气电池以空气中氧气为正极材料,所以就不必再在电池内放入,电池内就有空间装更多的负极材料。因此,它的容量比其它电池高3-10倍,是所有实用电池体系中最高的。这种电池还具有工作电压很平稳,杂音很小等优点,是耳背式,耳内式和耳道式高级助听器的最佳电源。这种电池工作时必须有空气,所以在电池壳上至少要有一个透气孔。出厂时用胶带将气孔粘上,使用时才撕下。另外,它的开路电压在气孔封闭时较低,气孔畅通时较高,所有其它电池都无此特征。

由于采用了扣式电池,组合后的电池组很小巧,但是放电强度不大,多用在小型电机,小型无线电发射用直流电源。需要注意的是由于高伏层叠电池多为普通碳性电池组合生产,一般都不易长期存放,在购买时候应该注意生产日期,尽量使用一年内出产的产品。扣式电池由于造价低廉,通常含有有害物质,对环境危害相当大,这种电池更需要大家的有效回收,不要随意丢弃。

锌空气电池与其它传统电池相比,锌空气电池具有以下优点:

镍镉,镍氢二次充电扣式电池通常都是组合成电池组使用,单体电池供电使用的情况比较少。

1 电池容量大。

原厂出的扣式电池组使用特殊的圆形翻边焊片来点焊焊接的,就是用一块和扣式电池大小一致的圆形翻边焊片,来焊接,这样子不会出现电池焊接后开焊,或者组合后外观不合格的情况。更主要的是,在焊接过程中使用了点焊机和镍片,这样子保证了电池在焊接过程中不过热,电池组内部各单体电池之间导电性一致。大多数人在用烙铁焊接纽扣的时候速度通常要10来秒,这10来秒的时间,扣式电池就会经受“水深火热的考验”,高温过后轻者损失容量,重者电池失效内部正常充放电反应中止,这种不良后果还是因该尽可量的避免。

空气电极工作正常的话,锌空气电池的理论容量是由负极活性物质的量决定的。负极位于电池内部,正极紧接电池外壳内侧,而且正极活性物质是来自空气中的氧气,所以空气电极占据电池的空间非常小,因此,在相同的体积和重量下,锌空气电池内可以装填更多的负极反应物质,从而与传统电池相比,它具有更高的容量(锌空气电池的制造成本与同型号碱性锌锰电池的大体相同,但容量却是同型号碱性锌锰电池的2.5倍以上,是普通干电池的5-7倍)。

再说说扣式电池中的锂电池,锂-二氧化锰一次性扣式电池。锂锰一次性扣式电池标称电压是3V,终止电压2V,典型工作电流在 0.1-0.2mA。它采用化学性质非常稳定的二氧化锰为正极材料,以比能量非常高的锂金属为负极材料。年平均容量降低不大于2%,储存寿命长。电池采用半密封结构,使用安全。锂锰一次性扣式电池的温度适应范围较大在-20到+60摄氏度的条件下都可正常工作。用处多在电子词典,主板CMOS电池,手表等等。也有二次可充锂扣式电池,由于用处少,不常见,就简单说一下,我对这种电池就是知道它的电压比一次性的高,公称3.6V,充满电后能过4V,自放电较少月平均10%左右,无记忆效应,但是容量不多,大概为同等型号的锂锰一次性扣式电池容量的1/7左右。简要说说锂锰扣式电池型号表示什么,CR表示锂- 二氧化锰,CR后面的4位数字,前两位是直径,后两位是高,例如:CR2032是指一种20mm直径,3.2mm高的锂-二氧化锰一次性扣式电池。以此类推CR1220是指一种12mm直径,2.0mm高的锂-二氧化锰一次性扣式电池。锂锰一次性扣式电池不可以充电,也不能短路,不可加热,在库存和遗弃时要注意电池应该绝缘,如果电池与其他物体接触,搞不好会爆炸,或者失效。

2 比能量高。

锌-空气扣式电池比较特殊,其唯一的民用市场,就是高档的电子耳蜗,电子助听器。这种电池是以金属锌为负极,空气中氧为正极去极剂的一次电池,由于其正极活性材料储存于大气中,取之不尽,用之不竭,故该种电池突出特点是比能量高,为化学电源中各系列之首。此外,还有节能、节材、对环境和生态无公害等优点,锌空气电池的电压为1.4V,而且在电池底部有进气孔,电池底部进气孔出厂时已用胶纸粘上,此时电池内无氧气,处于休眠状态,撕去胶纸后5-30分钟电池被空气逐渐激活。锌空气电池以空气中氧气为正极材料,所以就不必再在电池内放入,电池内就有空间装更多的负极材料。因此,它的容量比其它电池高 3-10倍,是所有实用电池体系中最高的。这种电池还具有工作电压很平稳,杂音很小等优点,是耳背式,耳内式和耳道式高级助听器的最佳电源。

锌空气电池理论质量比能量是1320Wh?kg-1,实际比能量已经达到220~300Wh?kg-1。

3 放电曲线平稳。

放电的时候,正极只是发生氧气的还原而空气电极本身不发生变化,负极则是锌被氧化而损耗。锌电极电压平稳,所以放电时电池电压变化小,在1.3V左右出现一个较长时间的放电平台。

4自放电少,储存寿命好。

在储存时电池的入气孔是密封的,空气电极与外界隔绝,只要阻隔空气进入锌空气电池即可使锌空气电池的电化学反应无法进行,从而电池容量损失小,容量年损失小于2%。

5生产成本低、价格低廉。

正极活性物质是空气中的氧气,无须花钱购买而且取之不尽。负极活性物质锌来源丰富、价格便宜。

6环保无污染。

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