金属_空气电池中空气电极的研究进展_李彦龙

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1、综述金属-空气电池中空气电极的研究进展李彦龙，王为*(天津大学化工学院应用化学系，天津300072)摘要：介绍了清洁高效的金属空气电池的基本原理、结构以及特点。空气电极由防水透气层、活性催化层以及集流体组成，分别解释了它们的基本功能与原理。综述了近些年来空气电极的研究进展，并对不同的空气电极制备工艺及其性能进行了详细讨论。介绍了不同种类氧还原反应(ORR)催化剂的催化性能，展望了今后空气电极及其催化剂的发展方向。关键词：金属空气电池；空气电极；ORR催化剂中图分类号：TM911.41文献标识码：A文章编号：1002-087X(2015)05-1106-04Researchprogr

2、essofairelectrodeformetal-airbatteryLIYan-long,WANGWei*(DepartmentofAppliedChemistry,SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Thebasicprinciples,structureandcharacteristicsofthecleanandefficientmetal-airbatteryweredescribed.Theairelectrodeisconsis

3、tedofgasdiffusionlayer,activecatalystlayerandcurrentcollector,andthebasicfunctionsandprinciplesofthesethreepartswereexplained.Theresearchprogressoftheairelectrodewassummarized,andthepreparationtechnologyandperformanceofairelectrodewereintroduced.Thecatalystperformanceofdifferentoxygenreduction

4、reaction(ORR)catalystswasdiscussed,andthedevelopmentdirectionofairelectrodeandcatalystinthefuturewasprospected.Keywords:metal-airbattery;airelectrode;catalystofORR随着全球石油、煤炭等化石资源的日益枯竭，国内外开发了一系列高性能、无污染的绿色新能源技术，对于缓解目前的能源危机具有积极的意义。燃料电池由于其具有清洁、高效等特点而被广泛关注[1]。金属-空气电池(Metal-airbattery，MAB)作为一种特殊的燃料电池

5、，以金属燃料(锌、铝等)替代氢燃料作为负极活性物质，以空气中的氧作为正极活性物质，空气中的氧通过空气电极源源不断地扩散到电化学反应界面，与金属(锌、铝等)发生反应而放出电能。MAB具有能量密度高、成本低廉、绿色无污染、放电寿命长以及使用安全等特点，被称图1金属-空气电池结构示意图为“面向21世纪的绿色能源”[2-3]。电池的总反应可以写为[4]：4M+nO+2HOn®4M(OH)1MAB的原理


大多数活性金属在中性或碱性电解液中都无法稳定存在，MAB以铝和锌等固态活性金属作为负极，空气电极作为会发生自腐蚀反应，伴随着生成氢气[4]：正极，以碱性溶液或者中性盐溶液为电解液，其结构

6、如图1所nM+nHO®M(OH)+H示。

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MAB的正极发生还原反应[4]：在电池放电过程中，正极反应所需要的活性物质氧气来自-O+2HO+4e®4OH于空气，而作为负极活性物质的金属将不断被消耗。因此，

MAB的负极反应与金属的价态以及电解液的种类有MAB的能量密度只取决于金属电极，金属电极的能量密度越关[4]，通式可以表达为：大，则电池的能量密度也越大。
+M®M+ne2空气电极的基本原理上式中的M为金属，n为金属氧化过程中价态的变化。阴极反应通常是金属-空气电池的速度控制步骤。因此开收稿日期：2014-10-06发高性能的空气电极对MAB具有重要意义。空气电极通常由气体

7、扩散层、活性催化层和集流体三部分构成[5]。作者简介：李彦龙(1989—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为铝空气电池正极材料。活性催化层是空气电极的核心部分，是氧还原过程的反通信作者：王为教授，wwangg@tju.edu.cn应场所。由于氧气的还原反应发生在空气电极的固-液-气三2015.5Vol.39No.51106综述相界面，故活性催化层中三相界面的多少是影响空气电极的YongGao[12]等人使用碳布作为气体扩散层，直接将活性物质重要因素。活性催化层通常由