铝空气电池阳极耐蚀性及待机保护介质的研究

作     者：江振飞 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马玉林

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：铝空气电池 铝阳极 电流密度分布 阳极过滤层 待机保护 

摘      要：铝空气电池具有仅次于锂空气电池的理论比能量(8.14k W·h·kg),具有广阔的应用前景。然而,放电过程中铝阳极不均匀消耗和铝残渣的产生,导致电池存在稳定性和安全性的问题,另一方面,电池的间歇性能差,严重限制了铝空气电池的产业化。针对上述问题,本论文分别从改善电流分布、设计过滤层和待机保护介质几方面开展优化和研究,达到阳极腐蚀更均匀、阻截铝残渣、降低待机状况下的自腐蚀的效果,改善电池的放电的稳定性、安全性,提高电池的间歇性能。改善电流密度的研究主要通过极耳位置的设计和优化来实现,设计并制备了偏极耳、中极耳和正中极耳三种位置的铝阳极,并通过COMSOL Multiphysics?软件对阳极表面的电位分布和一次电流密度分布进行了模拟计算,表明正中极耳使阳极表面电位和电流密度分布更加均匀。电化学测试表明,三种极耳位置中,正中极耳铝合金阳极具有最优异的电化学性能,最负的开路电位,腐蚀速率最低(6.27 m A·cm),具有更好的耐蚀性;与偏极耳相比,使用正中极耳铝合金阳极的电池具有优异的大电流放电性能,在100 m A·cm电流密度下电池放电电压和功率密度提升了约3.4%,200 m A·cm电流密度下电池放电电压和功率密度提升了约12.5%。设计了全覆盖式阳极过滤层过滤阳极腐蚀不均匀所产生的铝渣,对比尼龙、无纺布、棉布、PVC材料、PC材料等5种材质的热稳定性及化学稳定性,尼龙耐热耐碱性好,收缩率小(约0.4%),对阳极的电化学性能影响最小,而且欧姆阻抗低(0.38Ω)。电池放电性能的测试表明使用尼龙过滤层可进行长时间放电,对铝残渣的拦截效果显著,可有效避免铝渣堵塞电解液通道、引起接触短路导致的安全性问题,更换铝电极便捷;同时具有拦截电池溶解在电解液中的副产物作用,降低了电解液的浑浊度和副产物含量,电化学性能测试表明,在100 m A·cm电流密度下放电电压和功率密度与未安装尼龙过滤层的电池相比提升了约5.6%。研究了铝空气电池连续性放电与间歇性放电的铝损耗量,明确了铝空气电池待机保护的必要性。并对比研究了4种待机保护方法(排出碱液、水洗、水浸泡、酸洗)对铝合金自腐蚀性能的影响,进一步研究不同保护介质(苹果酸、醋酸、柠檬酸、碳酸氢钠)的待机保护效果,结果表明使用0.1mol·L苹果酸溶液待机保护的效果最佳,电池的稳定性好,电池性能恢复时间最短(1min),即间歇性能更好;苹果酸具有较大的电离常数,具有2个-COOH键,可电离出更高浓度的H,使电极表面残留碱液消耗更完全,但是对阳极的腐蚀很微弱(2.303×10 m A·cm);对空气电极的影响也较小,一定程度上降低了空气电极的极化程度,SEM测试结果也表明苹果酸对扩散层和催化层的影响较小,几乎不会破坏其表面形貌和结构。