目 录
摘要............................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................ III 1 绪论 (1)
1.1 前言 (1)
1.2.1 锌-空气电池的原理 (2)
1.2.2 锌-空气电池的优点 (4)
1.2.3 锌-空气电池存在的问题 (4)
1.3 锌-空气电池研究现状及发展趋势 (5)
1.3.1 锌-空气电池的研究现状 (5)
1.3.2 锌-空气电池的主要研究领域 (10)
1.4 本论文研究内容 (10)
2 实验方法 (12)
2.1 实验试剂与实验仪器 (12)
2.1.1 实验主要化学试剂 (12)
2.1.2 实验主要仪器设备 (12)
2.2 空气电极的制备 (13)
2.2.1 集流体的选择 (14)
2.2.2 防水透气层的制备 (14)
2.2.3 催化剂层的制备 (15)
2.3 锌负极的处理 (17)
2.4 配制电解液 (17)
2.5 锌-空气电池测试方法 (18)
2.5.1 开路电压测试（OCV） (18)
2.5.2 线性扫描伏安法（LSV） (18)
2.5.3 电化学阻抗分析（EIS） (18)
2.5.4 恒电流充放电法 (18)
2.5.5 锌-空气电池测试指标 (18)
2.6 本章小结 (19)
3 电池设计基本原则及水平式锌-空气电池组的设计 (20)
3.1 电池设计的基本程序 (20)
3.1.1 综合分析 (20)
3.1.2 性能设计 (20)
3.1.3 结构设计 (20)
电动汽车价格3.1.4 安全性设计 (21)
3.2 水平式锌-空气电池组的设计 (21)
3.2.1 锌-空气电池单体的设计 (21)
3.2.2 锌-空气电池模组的设计 (23)
3.2.3 锌-空气电池的性能测试 (24)
3.3 本章小结 (31)
4 垂直式锌-空气电池组的设计 (33)
4.1 垂直式锌-空气电池单体的设计 (33)
4.2 锌-空气电池模组的设计 (35)
4.3 锌-空气电池的性能测试 (36)
4.3.1 单体电池极化曲线测试 (37)
4.3.2 单体电池放电性能测试 (38)
4.3.3 电池组的放电性能测试 (41)
4.4 本章小结 (42)
结论 (43)
参考文献 (45)
致谢 (48)
................................................................... - 1 -
- VI -
1 绪论
1.1 前言
随着社会的快速发展，人们生活水平的提高，汽车逐渐成为人们生活的代步工具，面对能源和环境问题的日益严重，汽车技术朝着燃料多元化、动力电气化的新能源方向变革。新能源电动汽车因具有节能、环保的特点，成为各个国家大力发展的对象。发展新能源电动汽车已被普遍认为是减少能源损耗和经济转型的重要途径[1]。作为电动汽车的“引擎”部件，动力电池起到了关键性作用，如今众多国、内外学者和单位正在积极地致力于动力电池的研究开发工作[2]。
到目前为止，电动汽车动力电池普遍使用的是锂离子电池[3]。锂离子电池具有高的比能量、高的比功率、工作范围宽等优点。但是同时也存在不足，如充电电流不能过高，循环寿命短，工作和运输过程中易燃易爆等。为了寻更安全、更环保的电动车用电池，金属空气电池开始进入人们的视野，金属空气电池是介于传统的电池与燃料电池之间的一种新型电池[4, 5]。金属空气电池具有很多的优点，其正极活性物质是氧气，而空气中氧气的供应是非常充足的，理论上讲只要有源源不断的氧气进入，就能无限的放电。在各类金属空气电池中，锌-空气电池具有比较高的能量密度，理论质量比能量可达1353 Wh/kg[6]，原材料锌储量丰富、成本低，环境友好等优点，并且在运输和使用过程中不会产生爆炸等显著优点，被认为是最有应用前途的金属空气电池。一次锌-空气电池[7] 如今已成功应用于医疗卫生和通讯领域[8]。二次锌-空气电池[9]主要包括电再充式锌-空气电池[10]、机械可充式锌-空气电池(锌-空气燃料电池)[11, 12]。电再充式锌-空气电池在充电过程中，会存在枝晶生长、锌电极变形与钝化等问题，导致电池负极性能下降，一定程度上阻碍了电再充式锌空气电池的发展。鉴于电再充式锌-空
气电池存在的问题难以解决，人们建立了新的“机械式充电”理念，即机械的更换锌电极来完成充电过程。机械可充式锌-空气电池不存在充电过程中锌枝晶生长的问题。机械可充式锌-空气电池技术当前的研究重点和关键在于高性能催化剂的制备技术及电池整体结构的设计，要使锌-空气电池真正实现商业化，必须在上述两方面加大研究力度，解决现有存在的问题。
1.2 锌-空气电池概述
1.2.1 锌-空气电池的原理
1.2.1.1 基本原理
锌-空气电池是利用空气扩散电极吸附空气中的氧气作为正极活性物质，以锌作为负极的一种金属空气电池。理论上锌-空气电池正极所需的氧气可以由大气提供，只要不断的更换锌板和补充电解液，锌-空气电池就能连续工作。由于锌-空气电池以锌作为燃料，因此锌-空气电池往往又被称为锌半燃料电池[13, 14]。
如图1.1所示，锌-空气电池主要由锌负极、空气电极以及电解液组成。负极金属锌发生氧化反应，正极空气电极作为锌-空气电池心脏提供氧还原反应的场所。大气中的氧气首先透过空气电极的防水透气层传递到反应区，然后在催化剂所处的反应区与液相接触的气、固、液三相界面上发生氧还原反应。
由于空气电极催化层上的催化剂自身并不存在反应消耗，因此，锌-空气电池具备的高容量，可以通过增加负极锌的量来实现[15]。
图1.1 锌-空气电池示意图
Figure 1.1Schematic of Zn-air battery
1.2.1.2 电化学反应
锌-空气电池在放电过程中电极发生的电化学反应可描述为：
阳极电化学反应：Zn+4OH--2e-→Zn(OH)4-→ZnO+2H2O （1.32）阴极电化学反应：O2+4e-+2H2O
→4OH- （1.33）
- 2 -
总反应：2Zn+O2→2ZnO （1.34）电再充式锌-空气电池在充电过程中电极发生电化学反应可描述为：
阴极电化学反应：ZnO+2H2O→Zn+4OH--2e- （1.35）阳极电化学反应：4OH-→O2+4e-+2H2O （1.36）总反应：2ZnO →2Zn+O2 （1.37）以锌-空气电池电池放电过程为例：
电池电动势[16]：
由于氧气在大气中的分压P(O2)=2.1×104Pa，所以
一般而言，锌-空气电池反应往往达不到标准条件下的热力学平衡，所以电池的开路电压通常能达到1.2~1.5 V。
1.2.1.3 空气电极
锌-空气电池的空气电极主要包括防水透气层、集流体和催化剂层三部分。防水透气层主要使空气中的氧气进入而水不能进入；集流体起导电的作用。催化剂层主要是进入的氧气在催化剂的作用下发生氧还原或者氧生成反应。空气电极一面与电解液接触，另一面与空气中的氧气接触，承担起三相界面反应的场所[17]。锌-空气电池放电过程中，大气中的氧气慢慢传递到催化剂层反应区，通过催化剂的促进作用加速氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction）[18]。对于电再充式锌-空气电池，在充电过程中，空气电极作为负极，在电极表面发生析氧反应（Oxygen Evolution Reaction）[19]。
氧气在空气电极与电解液的接触面上发生电化学反应时，通过判断氧还原反应的中-的产生，将该反应路径归类成两种形式：
间产物--HO
2
-生成
(1) 二电子反应路径，有HO
2
O2+2e-+H2O→HO2-+OH-φθ= -0.067 V
HO2-+2e-+H2O→3OH- φθ= 0.867 V
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