导　　师： 刘富德; 郑大伟

授予学位： 硕士

作　　者： (）;

机构地区： 广东工业大学

摘　　要： 电动汽车行业近年高速增长,2018年全国电动汽车的销量已经突破100万辆。纯电动汽车的短板是续驶里程和充电时间,尚不能满足量大面广的远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等市场需求。因此,研究高能量密度和功率密度的电池势在必行。铝空气电池(Aluminum Air Battery)是ー种高能量密度的燃料电池,铝阳极的理论能量密度达到8100Wh/kg,铝空气电池系统的能量密度超过300Wh/kg,受到研究人员的广泛关注。目前,铝空气电池铝阳极和催化剂的研宄已经取得了很大的进展,已经研发出多种催化效率接近于Pt/C的氧还原催化剂,和阳极利用率达85%以上的铝合金。市场上已经有配备铝空气电池的小功率盐水灯销售。然而,大功率铝空气电池的产业化还没有实现,其原因主要在催化剂成本、电解液、电池系统等方面。为了減少燃料电池氧还原反应中的过电势,降低电池极化,需要开发导电能力强、化学性能稳定并且催化活性较高的ORR催化剂来降低氧还原过程中的电化学极化。大功率铝空气电池的产业化还没有实现的原因之一是对铝空气电解液的研究相对较少。有关铝空气电池的技术可行性分析、经济性分析尚处于空白阶段。本文的主要工作概括如下:(1)本文主要通过溶胶凝胶法制备了LaMnO3与多种碳材料复合的ORR催化剂。电化学测试表明,LaMnO3-CNTs存在明显的协同催化效应,主要表现在更正的起始电位、半波电位和更高的极限电流密度;与商业P t/C催化剂相比,其表现出更优异的碱性环境长期耐久性。先将LaMnO3前驱体与CNTs复合,再进行LaMnO3纳米材料的合成,可以避免LaMnO3纳米材料在合成的过程中发生团聚。这种催化剂应用于铝空气电池阴极,最大功率密度达265.8mW cm-2,远远超过LaMnO3-graphene和LaMnO3-acetylene b la c k证实了LaMnO3-CNTs作为铝空气电池催化剂有广阔的应用前景。甲醇耐受性测试表明,LaMnO3-CNTs在碱性甲醇溶液中的ORR性能仍然很好,说明其在甲醇燃料电池领域也有良好的应用前景。制备这种催化剂步骤简单,易于实际放大。(2)本文通过自制的铝空气电池电解液测试装置,比较了两种典型的铝空气电池电解液(盐溶液、碱性溶液)在电化学性能方面的差异,还比较了其他技术指标(粘度、温度、铝阳极能量密度、产物的晶体结构、产物的微观形貌)的差异,为铝空气电池电解液的选择提供了依据。实验数据证实,采用碱性溶液作为电解液的铝空气电池在使用过程中电化学阻抗更小,功率密度更大,电解液粘度和温度变化更小,铝阳极能量密度更高。采用盐溶液为电解液的铝空气电池的铝阳极能量密度为1760Wh/kg,能量效率为21.7%;采用碱性溶液为电解液的铝空气电池的铝阳极能量密度为2985.8Wh/kg,能量效率为36.9°%。參考广汽传祺GE3的技术指标,在采用碱性电解液的条件下,每消耗1k g铝产生的能量可以驱动ー辆广汽传祺GE3行驶18km。对于大功率的铝空气电池,使用碱性溶液作为电解液更佳。本文探讨了碱性条件下反应产物对铝空气电池的影响。实验数据表明,随着电解液中溶解的Al(OH)3越来越多(从1gパ00ml到40gパ00ml),铝空气电池的输出电压仅下降0.1V。反应产物对铝空气电池电化学性能的影响很小。本文证实了铝空气电池采用酸性电解液的情况下仅能维持10?20min的恒流放电,铝阳极能量密度很低,四个样品的铝阳极能量密度均小于500Wh/kg。酸性溶液不适合作为铝空气电池电解液。本文证实了碱性电解液碳酸化对铝空气电池的电化学性能有不利影响。随着碱性溶液中溶解的C〇2越来越多(从0到1.8mol c o al),铝空气电池的输出电压下降0.15V。碱性电解液不用吋,应密闭保存。(3)本文运用数学建模、技术经济学的方法对配备铝空气电池的U PS进行了市场研究、技术可行性分析、经济性分析、项目风险分析,填补了这方面的空白。分析结果显示,铝空气电池具有能量密度高、功率密度低的特点,能量密度为311Wh/kg,是锂电池的两倍;功率密度为17.48W/kg,仅为锂电池的10°%;配备铝空气电池的在线式U P S中的铝阳极在实际エ况下的更换周期为5年;配备铝空气电池的在线式U P S中的电解液在实际エ况下的更换周期为2.5年;将在线式U P S的部分铅酸蓄电池更换为铝空气电池不能降低U P S的整备质量;应用于通讯基站的备用电源在技术上是可行的。若U PS的使用时间大于5年,配备铝空气电池的在线式U P S比常规在线式UPS使用成本更低。铝空气电池空气电极的成本远高于电解液和铝阳极的成本。铝空气电池空气电极的使用时间越长,电池的经济性越好。提高空气电极的功率密度,降低空气电极的生产成本是铝空气电池产业化的重要一歩。结合铝空气电池的实际情况、通讯基站对备用电源的实际需求和现有的技术标准,提出了一个适用于通讯基姑、2kVA、配备铝空气电池的在线式U P S的初步设计方案,填补了这方面的空白。更多还原

关 键 词： [4529790]铝空气电池 [847285]氧还原反应 LaMnO3-CNTs 协同催化效应 [275901]电解液 UPS 技术可行性分析 经济性分析

分 类 号： [U469.72]

领　　域： []