1.鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)與原理

圖7-14給出了鋅空氣電池的實物圖和原理結(jié)構(gòu)圖。

如圖7-14所示,鋅空氣電池由正極(空氣電極)、負極(鋅電極)、電解液、隔膜和外殼5個部分組成。正極的主要材料是活性炭、疏水劑(如聚乙烯、聚四氟乙烯)、催化劑(如銀),負極的主要材料是鋅(汞齊化鋅粉、電積鋅或鋅屑以及打孔的鋅箔等),電解液是氫氧化鉀水溶液,隔膜采用玻璃紙、維尼龍紙等,外殼由塑料(聚苯乙烯、有機玻璃、ABS等)制成。

圖7-14　鋅空氣電池的實物與原理結(jié)構(gòu)圖

鋅空氣電池的化學反應(yīng)與普通堿性電池類似,在催化劑的催化作用下,當電池放電時,鋅攝取疏松碳塊內(nèi)從空氣中吸附到氧氣,鋅和氧發(fā)生化學反應(yīng)生成氧化鋅,其正極、負極和總反應(yīng)放電時的化學反應(yīng)方程式為負極:

正極:

總反應(yīng):

鋅空氣電池在放電過程中,由于其鋅板或鋅粒通常被氧化成氧化鋅而幾乎失效,使得鋅空氣電池充電過程進行得十分緩慢。加快反應(yīng)速度要有足夠的催化劑(如鉑、銀)。含有催化劑的電極表面需要同時與氧及電解液接觸,才能發(fā)生氧的還原。又由于對還原有催化作用的鉑族、銀族氧化劑價格很貴,一般采用直接更換鋅板或鋅粒和電解質(zhì)的方法,使鋅空氣電池完全更新,所以鋅金屬的消耗量較大。

2.鋅空氣電池的特性

鋅空氣電池主要有如下優(yōu)點:

(1)比能量大。鋅空氣電池的理論比能量可達1350Wh/kg,目前實際質(zhì)量比能量雖僅為180－230W·h/kg,但仍是鉛酸蓄電池的4～6倍。體積比能量達230Wh/L,是鉛酸蓄電池的2～3倍。

(2)性能穩(wěn)定。單體電池一致性好,允許深度放電,電池容量不受放電強度和溫度的影響,能在－20～80℃的溫度范圍內(nèi)正常工作,可實現(xiàn)全密封維護,更便于電池組能量管理。

(3)安全性好。能夠有效防止因泄露、短路引起的起火或爆炸。鋅沒有腐蝕作用,對人體不會造成傷害。

(4)充電時間快。采用機械充電模式,充電時間只需幾分鐘。

(5)使用成本低。鋅金屬來源豐富,生產(chǎn)成本低。電池可回收再生產(chǎn),可進一步降低成本,鋅在循環(huán)使用過程中不污染環(huán)境。

鋅空氣電池的主要問題是對空氣濕度和二氧化碳非常敏感,一旦鋅空氣電池的密封被破壞,空氣中的水分和二氧化碳就進入內(nèi)部激活電化學反應(yīng),此時即使再封裝,電化學反應(yīng)也會繼續(xù)下去直到電量耗盡。另外,鋅空氣電池釋放電流速度緩慢,比功率較低,對車輛的動力驅(qū)動影響較大。

3.鋅空氣電池的應(yīng)用

大型鋅空氣電池的容量一般在500～2000Ah,主要用于鐵路和航海燈標裝置上。紐扣形鋅空氣電池的容量在200～400m Ah,已廣泛用于助聽器中。

對于在汽車上的應(yīng)用,因其比功率較低,在車速較高、爬坡等工況下性能不夠理想;這種電池壽命只有約為300次,與其他電池相比,壽命還是太短。