各种空气电池原理

空气电池是化学电池的一种，其构造原理与干电池相似，下面我们一起来看看各种空气电池原理。

    各种空气电池原理。

    铝空气电池工作原理

    铝空气电池的化学反应与锌空气电池类似，铝空气电池以高纯度铝Al（含铝99.99%）为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。铝空气电池的进展十分迅速，它在EV上的应用已取得良好效果，是一种很有发展前途的空气电池。

    铝空气电池构造特点

    在单体电池中以铝（Al）为负极、氧为正极，在铝空气电池两侧有一对辅助空气电极，作为铝空气电池正极，在工作时只消耗铝和少量的水。

    铝空气电池优点

    比能量大

    铝空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg，2014年的铝空气电池的实际比能量只达到350Wh/kg，但也是铅酸电池的7～8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。采用铝空气电池后，车辆能够明显地提高续驶里程，国外有关资料介绍，美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。

    质量轻

    我国开发和研制的牵引用动力型铅酸蓄电池的总能量为13.5kWh，总质量为375kg。而同样能量的铝空气电池总质量仅45kg，为铅酸蓄电池质量的12%。由于电池质量大大减轻，车辆的整备质量也降低，可以提高车辆的装载能量或延长续驶里程。

    铝没有毒性和危险性

    铝对人体不会造成伤害，可以回收循环使用，不污染环境。铝的原材料丰富，已具有大规模的铝冶炼厂，生产成本较低。铝回收再生方便，回收再生成本也较低。而且可以采用更换铝电极的方法，来解决铝空气电池充电较慢的问题。

    虽然铝空气电池含有高的比能量，但比功率较低，充电和放电速度比较缓慢，电压滞后，自放电率较大，需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。

    锂，元素周期表中排在第三位的金属，似乎只是碱金属中平凡的一种，但它的用途确并不是那么的平凡。首先，它是最轻的金属，把锂扔到水里，它会像软木塞一样漂浮在水面上，它的密度只有水的一半；其次锂在几个尖端领域早已崭露头角，锂是氢弹的原料，我国第一颗氢弹就是用氢化锂和氘化锂作炸药的，一公斤氘化锂的爆炸能力相当于五万吨烈性TNT；高氯酸锂、硝酸锂是火箭燃料的高效氧化剂；氢氧化锂有特殊的香味，是制造汽水的原料。而它最重要也是对人类最有价值的应用莫过于金属锂是电势最负的金属，从而成为电池中负极的最佳选择，促进了锂离子电池的发现。锂离子电池发展至今，已经大大的改变了人类对传统化学电源的印象，质量轻，体积小，续航时间长等优点都使便携式电子设备，如手机，相机，笔记本电脑迅速发展，可以说锂离子电池的发现已经完全改变了传统的通讯，休闲，娱乐甚至商务会议的概念，使之不再局限于时间地点，更加省时，省力，随心所欲。

    但目前商业化的锂离子电池主要还是基于LiCoO2等锂离子嵌层化合物的摇椅机理，正极材料成为锂离子电池能量密度的限制，而要减少二氧化碳的排放，解决全球变暖，仅靠便携电子设备的电源改革是不行的，因为造成二氧化碳排放的原因主要是道路交通工具所使用的化石燃料的燃烧，因此发展电动汽车才是最直接的解决办法。但要实现纯的电动汽车，电化学电源需要完全代替汽油，即达到汽油的13000Wh/Kg的能量密度，而锂离子电池由于正极材料和摇椅机理的限制极限能量密度只能达到400Wh/Kg，所以，锂离子电池难当重任，寻找新的电化学电源途径势在必行。

    图3锂空气电池原理示意图

    锂空气电池的研究应运而生，它的原理如图1所示，以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极为正极，放电过程中，金属锂在负极失去电池成为锂离子，电子通过外电路到达多孔正极，神奇的是电子并没有将多孔电极上的碳还原，而是像人类的呼吸一样，将空气中的氧气还原，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。由此可见，锂空气电池的呼吸不同寻常，既不像植物的光合作用消耗空气中的二氧化碳产生氧气，又不像人类的呼吸作用吸入氧气产生二氧化碳，它吸入的是氧气，但氧气在充电过程又再次放出，并且整个过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零污染的绿色过程。

    另外，锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽用之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既降低了成本又减轻了电池的重量，所以电池的能量密度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得出，锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的超高理论能量密度，这一能量密度足以和汽油相媲美，从而有望完全代替汽油，真正实现纯电动汽车。

    目前全球已经有上千个研究单位在从事锂空气电池方面的研究，经过科研人员不懈的努力，期望在不久的将来这一会呼吸的绿色电池可以真正的实现在电动汽车方面的应用，从而为人类的可持续发展做出贡献。