鎂燃料電池的研究進(jìn)展

1、鎂燃料電池的研究進(jìn)展2011091908:19:25來源:互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵字：鎂燃料電池1引言鎂燃料電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易于貯運(yùn)、可使用溫度范圍寬(–20℃~80℃)及污染小等特點(diǎn)[1]。作為一種高能化學(xué)電源，擁有良好的應(yīng)用前景，因此很多研究學(xué)者與單位對其進(jìn)行了研究。早在20世紀(jì)60年代，美國GE公司就對中性鹽鎂燃料電池進(jìn)行了研究[2]。隨后美國海軍海底戰(zhàn)事中心(NavalUnderseaWarfare

2、Center)與麻省理工大學(xué)(UniversityofMassachusettsDartmouth)以及BAESystems公司共同研制成功了用于自主式潛航器的鎂過氧化氫燃料電池系統(tǒng)[3]。該電池采用海水作電解質(zhì)，鎂合金作陽極材料，液態(tài)過氧化氫作陰極氧化劑。該電池提供了一個(gè)成本較低并且更為安全的高能動(dòng)力，是低速率、長壽命的自主式潛航器的理想驅(qū)動(dòng)電源。20世紀(jì)90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋應(yīng)用的圓柱型海水電解質(zhì)鎂空氣

3、燃料電池[4]。1996年，挪威與意大利共同開發(fā)了鎂燃料電池，并應(yīng)用于180m深的海底油井或氣井探測的海洋水下自動(dòng)控制系統(tǒng)。該海水電池采用商業(yè)鎂合金作陽極，海水作電解質(zhì)，海水中溶解的氧為氧化劑，陰極用碳纖維制造。這個(gè)電池系統(tǒng)能量達(dá)到650kWh，系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為15年[5]。加拿大GreenvoltPower公司研制的100W和300W級鎂鹽水空氣燃料電池(MASWFC)，能量密度是鉛酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機(jī)及

4、GPS等設(shè)備供電。加拿大MagpowerSystems公司研制的鹽水電解質(zhì)鎂空氣燃料電池，能連續(xù)提供300W功率，成功應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)水凈化系統(tǒng)水泵的供電[6]。Medeiros等研究了MgH2O2半燃料電池，電池的陽極為鎂合金AZ61，導(dǎo)離子膜是Nafion115，陰極為垂自植入到碳紙上的碳纖維擔(dān)載的PdIr，陽極電解液為海水，陰極電解液為海水硫酸過氧化氫，單電池在連續(xù)30h的放電期間內(nèi)，在25mAcm2的電流密度下，電池電壓穩(wěn)定在1.

5、77V~1.8V之間。根據(jù)消耗的鎂，過氧化氫和硫酸的質(zhì)量計(jì)算出來電池的比能量達(dá)500~520Whkg[7]。然而，鎂燃料電池總體上存在著三大缺陷[168]：(1)容量損失大，(2)負(fù)極利用率低，(3)電壓損耗大。其中，容量損失大和負(fù)極利用率低主要是由于鎂的自腐蝕引起的，而鎂的負(fù)差效應(yīng)將進(jìn)一步加劇鎂的自腐蝕，因此，很多學(xué)者通過制備鎂合金和運(yùn)用電解液添加劑兩種途徑來降低鎂的自腐蝕，提高電池容量和負(fù)極利用率。而電壓損耗大則受鎂及鎂合金放電產(chǎn)物

6、和正極活性物質(zhì)的影響，可通過運(yùn)用電解液添加劑和制備新型催化劑來解決。本文將鎂燃料電池的研究進(jìn)展分為工作原理、電極的研究和電解液添加劑三部分進(jìn)行闡述。2鎂燃料電池的工作原理鎂燃料電池(Magnesiumfuelcell，又稱Magnesiumsemifuelcell)主要由鎂合金陽極，中性鹽電解質(zhì)和空氣(氧氣或其它氧化劑)陰極三部分組成。鎂及鎂合金是非常活潑的金屬，適合用作陽極材料。陰極氧化劑可以利用空氣或者海水中的氧，還有過氧化氫和次氯

7、酸鹽等，根據(jù)氧化劑不同，目前研究的燃料電池可分為鎂空氣燃料電池，鎂海水燃料電池，鎂過氧化氫燃料電池，鎂次氯酸鹽燃料電池[1689]。2.1鎂空氣燃料電池鎂空氣燃料電池工作原理示意圖如1所示。鎂海水溶解氧半燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理類似于鎂空氣電池。2.3鎂過氧化氫燃料電池鎂過氧化氫燃料電池是鎂空氣(氧)燃料電池的一個(gè)分支，其工作原理示意圖如圖3所示。圖3鎂過氧化氫燃料電池工作示意圖中性鹽電解質(zhì)鎂過氧化氫燃料電池的放電反應(yīng)：陽極反應(yīng)：Mg→M

8、g22e－－2.37V陰極反應(yīng)：HO2－H2O2e－→3OH－0.88V電池總反應(yīng)：MgHO2－H2O→Mg23OH－3.25V中性鹽電解質(zhì)鎂過氧化氫燃料電池的寄生反應(yīng)：分解反應(yīng)：2H2O2→2H2OO2↑沉淀反應(yīng)：Mg22OH－→Mg(OH)2(s)Mg2CO32－→MgCO3(s)析氫反應(yīng)：Mg2H2O→Mg(OH)2H2↑酸性條件下鎂過氧化氫燃料電池的放電反應(yīng)機(jī)理如下：陽極反應(yīng)：Mg→Mg22e－－2.37V陰極反應(yīng)：H2O22H