一种用于增程式低速电动汽车的铝-空气金属燃料电池系统设计

基于某微型电动汽车试验平台,对以铝-空气金属燃料电池为辅助动力源的一款电-电增程式电动原型车的电池系统进行设计。首先对铝-空气金属燃料电池单体与集成电解液存储箱进行结构优化设计,然后对铝-空气金属燃料电池系统及整车相关性能进行试验。结果表明,本文研制的铝-空气金属燃料电池系统及整车性能达到了设计要求。

金属有机骨架及其衍生材料在电解水和锌-空气电池中的应用

电解水和锌-空气电池(ZABs)技术为解决能源危机、实现碳中和目标开辟了一条新的途径。然而,这些技术的实际应用在很大程度上受到析氢反应(HER)、析氧反应(OER)以及氧还原反应(ORR)缓慢动力学的限制。因此,迫切需要开发高效、稳定的电催化剂有效降低反应过电位,加快电催化反应进程。金属有机骨架(MOFs)由于其灵活可调的组成和精确可控的结构,已成为催化领域研究最广泛的材料之一。本文聚焦于MOFs基电催化剂的制备策略和结构特性,主要介绍它们在电解水和ZABs方面近期的研究进展,并对该领域存在的问题和发展趋势进行了总结和展望。

铝-空气电池废电解液制备片状氧化铝的研究

以铝-空气电池废电解液为原材料,用硫酸铝调节pH值,用硫酸钾作为熔盐制备片状氧化铝(α-Al_(2)O_(3)),研究了合成温度、晶种添加量对α-Al_(2)O_(3)粉体体积分数、粒度大小及粒度分布的影响规律。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和激光粒度仪等,对加入不同晶种量的α-Al_(2)O_(3)粉体的结构和形貌进行表征。结果表明,添加晶种后可以提高α-Al_(2)O_(3)粉体的体积分数,减小α-Al_(2)O_(3)粉体的粒度,使α-Al_(2)O_(3)粉体的粒度分布更集中,同时使α-Al_(2)O_(3)粉体更分散。此外,当晶种添加量为5%(质量分数)时,制备出的片状α-Al_(2)O_(3)的体积分数可达97.0%,平均粒度约为7.24μm。

碳材料/钙钛矿型复合氧化物双功能催化剂在金属-空气电池中应用研究进展

金属-空气电池具有能量密度高、安全性能好、成本低、无污染等优点,是一种很有前途的化学能源存储与转化器件,但其氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的动力学缓慢,且依赖于昂贵的贵金属催化剂(例如:Pt或Ir),这都阻碍了其可持续商业化的发展进程。钙钛矿型氧化物因其高的固有催化活性、丰富的种类、低成本和丰富的资源,近年来受到越来越多的关注,并有望成为替代贵金属催化剂的高效ORR和OER催化剂。由于钙钛矿氧化物的固有导电性较低,一般认为需要导电碳来增强钙钛矿电极内部的电子导电性,使钙钛矿的利用率最大化。综述了溶胶凝胶法、化学气相沉淀、水热法、静电纺丝法等碳材料负载钙钛矿型双功能催化剂的制备方法,总结了各制备方法的优缺点。阐述了钙钛矿/碳复合材料双功能催化剂在常见的三种金属-空气电池中的应用研究进展,提出了基于钙钛矿/碳复合材料的高效氧催化剂的合成和发展面临的挑战和未来的方向。

用于锌-空气电池的Pd纳米颗粒核壳结构与缺陷调控催化剂

研发高效稳定的双功能电催化剂以增强锌-空气电池中析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR)的性能,是实现可持续能源转换与存储系统的关键。采用一步电沉积法和碱刻蚀工艺制备了一种表面富含缺陷和介孔的NiFe层状双氢氧化物纳米片包裹Pd纳米颗粒的核壳结构(Pd/D-NiFe-LDH)。由于具有核壳结构、丰富的缺陷和增多的活性位点,Pd/D-NiFe-LDH表现出优异的催化活性,在10 mA·cm^(-2)电流密度下,其OER的电位与ORR半波电位之差仅为0.69 V。基于Pd/D-NiFe-LDH的液态锌-空气电池和准固态柔性锌-空气电池的最大功率密度分别达到114.7和89.4 mW·cm^(-2),长期循环测试结果分别超过了400和150 h。

海水铝-空气燃料电池

叙述了海水－铝空气燃料电池的特性及影响电池功率输出的主要因素，如海水的电导、盐度、温度、铝材料的选择等。试验结果表明，电池工作时正负极之间的液相电阻比海水本身的电阻小得多，但是其液相电阻仍然偏大。海水盐度和温度的变化引起电极电势波动，盐度影响占１０％左右。高纯铝合金电极工作电势比工业铝合金电极的工作电势高２００ｍＶ以上。

SnO_(2)/聚乙烯吡咯烷酮防腐薄膜的制备及其在柔性铝-空气电池中的应用

为减缓柔性铝-空气电池阳极析氢腐蚀,将纳米二氧化锡(SnO_(2))和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)均匀分散在无水乙醇中作为前驱体溶液,通过静电纺丝技术制备成SnO_(2)/PVP薄膜,将附着薄膜的铝箔处理后用作柔性铝-空气电池的阳极。对SnO_(2)/PVP薄膜进行表征和测试,并探究SnO_(2)在薄膜中的含量变化对腐蚀抑制率和电池性能的影响。结果表明:SnO_(2)/PVP薄膜能有效抑制铝-空气电池阳极析氢腐蚀,腐蚀抑制率随SnO_(2)含量的增加而提高;相比于不添加防腐蚀薄膜的电池,SnO_(2)质量分数为50%时电池腐蚀抑制率可达62.1%,放电时间延长2.4倍左右,阳极比容量可提高1.5倍以上。

基于新型铝金属燃料电池变径管分液器的均匀性研究

该文以提升铝金属燃料电池的单体放电均匀性为目的,通过液流仿真计算设计了一种内径沿液流方向逐渐减小的一进52出变径管分液器,并在52串电堆中进行了应用实验.系统分析了52个单体电池在放电过程中的流量均匀性、电压均匀性以及温度均匀性,并与直管分液器进行了对比.结果表明,相比于内径不变的直管分液器,变径处理后单体电池间的均匀性得到了明显改善.总体上看,采用变径管分液器后52个单体电池流量的标准偏差与平均值的比率从10.7%下降到了8.5%,温度的标准偏差相对于平均值的比率从7.3%下降至5.5%,放电电压的标准偏差相对于平均值的比率从3.0%下降至2.7%.同时变径设计显著改善了直管分液器入液口压力过大,靠近入液口的6个单体流量过高的问题.其中最靠近入液口的单体电池的流量与中值的偏差从6.7%下降至4.5%,温度与中值的偏差从8.3℃下降至2.9℃.

面向金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池应用的钴基电催化剂综述

在21世纪的今天,由石油、煤炭等化石资源的过度开发与使用所引发的能源和环境问题日趋严重,开发经济、高效的能源转换与存储装置已成为新时代的研究主题。金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池,作为高效的能源转换与存储装置,可以实现化学能向电能的高效转换,具有效率高、环境友好、成本低的显著优点,在过去十几年内受到了研究者的广泛关注,取得了惊人的成果。但与此同时,人们在研究中发现阴极(正极)缓慢的氧还原和氧析出反应速率极大地降低了电池转换效率,增加了应用成本,在很大程度上制约了金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池的商业化发展和应用。钴基催化剂作为一种高效阴极材料,相比贵金属成本较低,且具有混合离子-电子导电性,可以有效降低极化电阻,对阴极氧还原和氧析出反应显示出高催化活性,近年来吸引了国内外学者极大的研究兴趣。对于金属-空气电池,虽然钴基催化剂如钴氧化物、尖晶石型氧化物、钙钛矿型氧化物等材料能够显著地提高金属-空气电池的电容量和循环性能,并且降低充电电压,有效降低极化,但是其催化活性和稳定性有待提高,催化机理和活性位点也需要进一步明确和探究;对于中低温固体氧化物燃料电池,钴基催化剂包括La_(1-x)Sr_xCoO_3-δ、La_(1-x)Sr_xCo_(1-y)FeyO_3-δ、Ba_(1-x)Sr_xCo_yFe_(1-y)O_3-δ和钴基双钙钛矿等材料可以大大降低阴极极化电阻和面积比电阻,提高功率密度,但是相对其他催化剂,热膨胀系数普遍较高,稳定性也较差。为了进一步提高钴基催化剂应用在金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池中的催化活性,研究者采用了掺杂其他金属元素、与其他物质组成复合阴极材料以及贵金属修饰等方法,在很大程度上提高了这两种电池的性能。本文简要介绍了金属-空气电池和中低温固体氧化物燃料电池的结构、工作原理,并在此基础上着重评述了近年来面向这两种能源转换与存储器件的,包括钴氧化物、钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物和双钙钛矿氧化物等在内的各种钴基电催化剂的制取、改性和性能研究探索与成果。

一种铝-空气燃料电池能量重整技术的研究

为探究4 mol/L氢氧化钾电解液中不同锌离子浓度对铝-空气燃料电池负极自腐蚀的影响,提高其放电性能,采用6061铝合金作为负极,氧化锌作为电解液添加剂,进行了析氢失重分析.利用网包负极结构完成了能量的重新整合,并测试了电池的放电性能.结果表明:当4 mol/L氢氧化钾电解液中含0.3 mol/L锌离子时,6061铝合金的抑氢效率最高,约为64.364%.在该电解液下,使用网包负极结构的燃料电池以20 mA/cm2电流密度放电时的电极效率和比容量最高,分别约为41.633%和1240.665 A·h/kg,较优化前提升了64.440%.燃料因腐蚀耗散的能量被存储于其表面的沉积锌中,并在负极网的辅助下转化成电能,达到了能量重整的目的,使电池性能得到了显著提升.

基于两阶段控制的铝-空气燃料电池最大功率点跟踪方法

铝-空气燃料电池作为一种新兴的金属燃料电池,具有比能量高、安全静默、高效环保等优点,但其发电功率水平较低、资源利用率不高,且对其最大功率点跟踪控制方法的研究较少。基于此提出了一种两阶段控制的最大功率点跟踪方法。该方法根据铝-空气燃料电池输出特性,第一阶段基于电阻匹配的最大功率传输理论,通过实时检测燃料电池输出端口电流,对其施加增量扰动寻优,以较大步长接近最大功率点阈值;第二阶段基于模糊控制理论,通过设置功率变化和占空比步长变化的隶属度函数,进一步逼近最大功率点并实现稳定控制。仿真和实验表明,所提方法跟踪精度高、跟踪效果好,具有较强的工程应用价值。

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。

铝空气燃料电池的研究进展

论述了最近几十年来国内外铝空气燃料电池的发展概况。重点分析了铝空气燃料电池的特点 ,工作原理以及整个电池系统的研究进展。

金属空气燃料电池氧电极催化剂

采用固相反应法制备纳米γ MnO2催化剂,通过热压制得三相气体扩散电极。用稳态电流 电位极化曲线研究了这种纳米γ MnO2催化剂制成的多孔三相气体扩散电极的电化学性能,催化剂加入量对氧电极性能的影响,同时催化剂经过过筛处理后性能有很大的提高。SEM分析表明:过筛处理后,催化剂颗粒分布均匀,对氧还原的催化活性明显提高。

铝-空气新能源电池技术及其放电特性

针对柴油发电机组存在震动噪声大、污染大、维护保养要求高等诸多弊端,开展了铝-空气新能源电池技术研究。分析了铝-空气电池的工作原理和特点,完成了铝-空气电池单体和电堆设计;研究了铝-空气电池的能量转换和放电机理,分析了铝-空气单体的伏安特性;通过电源启动试验、长时间放电性能试验、放电容量测算试验、伏安特性试验,掌握了铝-空气电堆的放电特性,为大功率铝-空气电站研制奠定了基础。试验结果表明,该新能源电池可满足大功率用电要求。

国外电动汽车用金属-空气电池

电池是电动车的主要动力,是制约电动车的性能和发展的最主要因素.现在的电池都不能满足电动车的要求.几种新的电池正在发展之中.其中,金属-空气电池显示了突出的优点,很有可能成为未来的电动车用动力.

铝-空气电池电解液的研究现状

综述了铝-空气电池电解液及其添加剂的研究与发展现状，重点分析讨论了影响电解液性能的主要因素以及无机离子、有机物和复合物等添加剂在铝．空气电池中的作用、机理、应用。说明了Ga^3+，In^3+，配位剂，复合物是最有希望成为一种实际应用于铝．空气电池的添加剂。

金属-空气电池氧还原反应催化剂研究进展

氧还原电极催化剂是金属-空气电池的关键电极材料,综述了金属-空气电池氧还原电极催化剂的研究进展,包括贵金属及其合金、过渡金属氧化物以及过渡金属有机大环化合物等催化剂。过渡金属氧化物因价格低廉、性能优良而具有广阔的应用前景。通过对各种氧还原反应催化剂性能进行比较,认为未来金属-空气电池发展的关键在于寻求更高性价比的氧还原反应催化剂。

基于金属-氮-碳结构催化剂的质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接将储存在氢中的化学能无污染地转化为电能,是实现碳减排和碳中和的关键新能源技术。目前的PEMFC技术,尤其是在发生氧还原反应的阴极,还严重依赖铂基贵金属催化剂,导致了燃料电池高昂的成本,限制了其大规模应用。因此,人们对于研究基于低成本非贵金属催化剂的PEMFC展现出了极大的兴趣。自从采用金属-氮-碳结构催化剂作为贵金属催化剂的替代品以来,非铂基PEMFC取得了很多突破,但是当前其在活性和稳定性的表现仍不能令人满意。本文总结了基于金属-氮-碳催化剂的PEMFC性能与活性位点、催化剂结构和催化层结构之间的关系,揭示了催化剂结构对于PEMFC中物质传输的重要作用。另外,为了满足实际需求,本文也总结并讨论了PEMFC可能的失活机理,包括脱金属作用,氮物种的质子化,碳载体腐蚀和孔道水淹等,以及目前发展的可能的解决方案。基于这些认识,本文最后介绍了在提升金属-氮-碳基PEMFC的活性和稳定性方面的最新进展与策略。

铝-空气电池的研究进展

铝-空气电池以轻质金属铝作为阳极活性物质,以空气中的氧气作为阴极活性物质,具有容量大、比能量高、成本低、无污染等优点,被认为是未来很有发展潜力和应用前景的电池。铝-空气电池的研究工作可分为铝阳极、空气电极和电池结构等,从这几个方面对国内外的铝-空气电池研究现状进行介绍,并对铝-空气电池的未来研究方向进行展望。