鎂燃料電池原理研究

1 引言

　　鎂燃料電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易於貯運、可使用溫度範圍寬(–20℃~80℃)及汙染小等特點[1]。作為一種高能化學電源，擁有良好的應用前景，因此很多研究學者與單位對其進行了研究。早在20世紀60年代，美國GE公司就對中性鹽鎂燃料電池進行了研究[2]。隨後美國海軍海底戰事中心(Naval Undersea Warfare Center)與麻省理工大學(University of Massa-chusetts Dartmouth)以及BAE Systems公司共同研製成功了用於自主式潛航器的鎂-過氧化氫燃料電池系統[3]。該電池採用海水作電解質，鎂合金作陽極材料，液態過氧化氫作陰極氧化劑。該電池提供了一個成本較低並且更為安全的高能動力，是低速率、長壽命的自主式潛航器的理想驅動電源。20世紀90年代初，Westinghouse公司研製出了海洋應用的圓柱型海水電解質鎂/空氣燃料電池[4]。1996年，挪威與義大利共同開發了鎂燃料電池，並應用於180m深的海底油井或氣井探測的海洋水下自動控制系統。該海水電池採用商業鎂合金作陽極，海水作電解質，海水中溶解的氧為氧化劑，陰極用碳纖維製造。這個電池系統能量達到650kWh，系統設計壽命為15年[5]。加拿大Greenvolt Power公司研製的100W和300W級鎂/鹽水/空氣燃料電池(MASWFC)，能量密度是鉛酸電池的20倍以上，可為電視、照明燈、便攜電腦、手機及GPS等設備供電。加拿大Magpower Systems公司研製的鹽水電解質鎂/空氣燃料電池，能連續提供300W功率，成功應用於偏遠地區水淨化系統水泵的供電[6]。Medeiros等研究了Mg-H2O2半燃料電池，電池的陽極為鎂合金AZ61，導離子膜是Nafion-115，陰極為垂自植入到碳紙上的碳纖維擔載的Pd-Ir，陽極電解液為海水，陰極電解液為海水 硫酸 過氧化氫，單電池在連續30 h的放電期間內，在25mA/cm2的電流密度下，電池電壓穩定在1.77V~1.8 V之間。根據消耗的鎂，過氧化氫和硫酸的質量計算出來電池的比能量達500~520Wh/kg[7]。

　　然而，鎂燃料電池總體上存在著三大缺陷[1, 6, 8]：(1)容量損失大，(2)負極利用率低，(3)電壓損耗大。其中，容量損失大和負極利用率低主要是由於鎂的自腐蝕引起的，而鎂的負差效應將進一步加劇鎂的自腐蝕，因此，很多學者通過製備鎂合金和運用電解液添加劑兩種途徑來降低鎂的自腐蝕，提高電池容量和負極利用率。而電壓損耗大則受鎂及鎂合金放電產物和正極活性物質的影響，可通過運用電解液添加劑和製備新型催化劑來解決。

　　本文將鎂燃料電池的研究進展分為工作原理、電極的研究和電解液添加劑三部分進行闡述。

　　2 鎂燃料電池的工作原理

　　鎂燃料電池(Magnesium fuel cell，又稱Magnesium semi-fuel cell)主要由鎂合金陽極，中性鹽電解質和空氣(氧氣或其它氧化劑)陰極三部分組成。鎂及鎂合金是非常活潑的金屬，適合用作陽極材料。陰極氧化劑可以利用空氣或者海水中的氧，還有過氧化氫和次氯酸鹽等，根據氧化劑不同，目前研究的燃料電池可分為鎂-空氣燃料電池，鎂-海水燃料電池，鎂-過氧化氫燃料電池，鎂-次氯酸鹽燃料電池[1, 6, 8, 9]。

　　2.1 鎂-空氣燃料電池

　　鎂-空氣燃料電池工作原理示意圖如1所示。

　　

　　圖1 鎂-空氣燃料電池工作示意圖。

　　中性鹽條件下鎂-空氣燃料電池的放電反應機理如下：

　　陽極反應：Mg→Mg2 2e- –2.37 V

　　陰極反應：O2 2H2O 4e-→4OH- 0.40 V

　　電池總反應：Mg 1/2O2 H2O→Mg(OH)2 2.77 V

　　中性鹽電解質鎂-空氣燃料電池的寄生反應：

　　析氫反應：Mg 2H2O→Mg(OH)2 H2↑

　　2.2 鎂-海水燃料電池

　　鎂-海水燃料電池結構示意圖如2所示。

　　

　　

　　圖2鎂-海水燃料電池結構示意圖

　　鎂-海水溶解氧半燃料電池的放電反應機理類似於鎂-空氣電池。

　　2.3 鎂-過氧化氫燃料電池

　　鎂-過氧化氫燃料電池是鎂-空氣(氧)燃料電池的一個分支，其工作原理示意圖如圖3所示。

　　

　　圖3 鎂-過氧化氫燃料電池工作示意圖

　　中性鹽電解質鎂-過氧化氫燃料電池的放電反應：

　　陽極反應：Mg→Mg2 2e- -2.37 V

　　陰極反應：HO2- H2O 2e-→3OH- 0.88 V

　　電池總反應：Mg HO2- H2O→Mg2 3OH- 3.25 V

　　中性鹽電解質鎂-過氧化氫燃料電池的寄生反應：

　　分解反應：2H2O2→2H2O O2↑

　　沉澱反應：Mg2 2OH-→Mg(OH)2(s)

　　Mg2 CO32-→MgCO3(s)

　　析氫反應：Mg 2H2O→Mg(OH)2 H2↑

　　酸性條件下鎂-過氧化氫燃料電池的放電反應機理如下：

　　陽極反應：Mg→Mg2 2e- -2.37 V

　　陰極反應：H2O2 2H 2e-→2H2O 1.77 V

　　電池反應：Mg H2O2 2H →Mg2 2H2O 4.14 V

　　2.4 鎂-次氯酸鹽燃料電池

　　鎂-次氯酸鹽燃料電池工作原理示意圖如4所示。

　　

　　圖4 鎂-次氯酸鹽燃料電池工作原理示意圖

　　中性鹽電解質鎂-次氯酸鹽燃料電池的放電反應：

　　陽極反應：Mg→Mg2 2e- -2.37 V

　　陰極反應：ClO- H2O 2e-→Cl- 2OH- 0.90 V

　　電池總反應：Mg ClO- H2O→Cl- 2OH- 3.27 V

　　中性鹽電解質鎂-次氯酸鹽燃料電池的寄生反應：

　　分解反應：2ClO-→Cl- ClO2

　　沉澱反應：Mg2 2OH-→Mg(OH)2(s)

　　Mg2 CO32-→MgCO3(s)

　　析氫反應：Mg 2H2O→Mg(OH)2 H2↑

　　3 電極的研究

　　3.1正極

　　鎂燃料電池正極是空氣中的O2等氧化劑，其參加反應需要一定的催化劑，這些催化劑能夠加速氧化劑在溶液中的電還原反應速率，因此催化劑的催化性能是影響電池性能的重要因素之一，特別是針對氧化劑在中性溶液中的催化。下面就空氣中的O2、海水中的O2和H2O2的催化劑進行闡述。

　　3.1.1 空氣中O2的催化劑

　　目前，空氣陰極採用的催化劑主要有貴金屬催化劑(鉑、鉑合金和銀)、鈣鈦礦型氧化物催化劑、金屬有機鰲合物催化劑、MnO2催化劑等。貴金屬鉑基催化劑用作空氣陰極氧還原電催化劑顯示出良好的催化活性，但由於鉑價格昂貴，限制了它的市場化與應用範圍。近年來有關金屬燃料電池用非鉑催化劑陰極研究報導較多，並取得了較大的進展。Gamburzev等[10]人開發了不同碳載體的銀電催化劑製備方法，並且對銀催化劑空氣擴散電極在鹼性電解質中的電催化性能進行了研究，結果表明，碳載體銀催化劑電極的性能比只有碳催化劑時提高3倍。Wagner等[11, 12]採用PTFE作有機粘結劑，與銀粉或氧化銀粉催化劑相混合，通過冷壓處理過程，得到高比表面積的多孔氣體擴散電極。PTFE纖維在電極中呈蜘蛛網結構，形成了很好的疏水孔系統，有利於氣體的傳輸，提高了催化劑的催化活性與穩定性，電流密度達到650mA/cm2，使用壽命長達5000h。

　　鈣鈦礦型催化劑也是較好的電催化劑，Li[13]等採用改進的無定型檸檬酸前驅體法合成了LiMn2–xCoxO4系列尖晶石型氧化物，與傳統製備方法相比，催化劑比表面積明顯增加。金屬大環化合物，特別是金屬(Fe、Co)贅合物如酞菁、卟琳也都被認為對氧還原有電催化活性，Bron等[14]對碳載葉琳鐵化合物進行熱處理，製得氧還原電催化劑，其活性雖然低於含10%Pt的商業Pt/C催化劑的活性，但就催化劑中的金屬含量而言，兩者活性相當。

　　MnO2催化劑作為氧還原電催化劑，具有價格低廉的優勢，具有廣闊的應用前景。Z. D. Wei等[15, 16]研究了碳載MnO2催化劑的空氣電極，把碳黑和硝酸錳溶液混合後在不同溫度下加熱焙燒，發現在340℃時製得的MnO2催化劑活性最好，同時進一步研究了Mn3O4對於形成有利於氧還原的MnO2晶體的引導作用。T. Ohsaka、Y. L. Cao等[17-19]對MnO2催化劑的氧還原機理進行了研究。目前，納米結構的MnO2催化劑是一個研究熱點。J. S. Yang等[20]研究了納米無定型MnO2電催化劑的氧還原性能，在0.85mg/cm2的低催化劑載量的情況下，氧還原反應電流密度可達到100mA/cm2以上。G. Zhang等[21]合成了納米結構的中間相碳微粒MnO2複合催化劑，由於該催化劑的納米尺寸網狀結構與高密度活性點的優點，製備的空氣電極氧還原反應催化活性明顯增強。

　　3.1.2 海水中O2的催化劑

　　海水中溶解的氧氣作為氧化劑時，由於氧氣濃度低，要求陰極要具有良好的傳質性能、大的表面積和高的催化性能，同時由於電池壽命長，電極必須具有良好穩定性。目前的研究發現，碳纖維是較好的陰極材料。Hasvold等[22]將碳纖維做成瓶刷狀，使其具有大的表面積和良好的傳質性，以其為陰極製備的鎂-海水溶解氧半燃料電池，在2W的輸出功率下，初始電壓可達1.4 V，運轉15h後電壓增加並穩定在1.6V;電壓的增加可能是由於在碳纖維表面生長了海洋生物膜，提高了其催化活性。Shen等[23]人研究了用Co3O4/C作為鋁-海水溶解氧氣電池的陰極材料，進行了為期70d的測試，其結果表明與用Pt/C作催化劑的電池性能相當，並且電壓穩定。

　　3.1.3 H2O2的催化劑

　　H2O2在陰極的反應包括直接和間接兩種反應途徑。直接途徑是H2O2通過電化學還原反應直接生成H2O或OH–;間接途徑是H2O2先分解出O2，O2進一步電還原為H2O或OH–。在實際的半燃料電池中，這兩種途徑並存。直接途徑更為有利，因為間接途徑O2生成速率如大於O2消耗速率，將導致O2過剩和積累，系統內壓升高，需設置排氣系統，造成電池結構複雜及安全性降低。因此對H2O2陰極的要求是：(1)催化活性高，提高反應速率，減少活化過電勢;(2)直接電還原選擇性高，減少O2生成;(3)傳質性能好，減少濃度極化。

　　日前針對H2O2的催化劑主要有兩類，一類是負載在碳基材料(如碳紙、碳布和碳纖維)或泡沫鎳上的Pd、Ir、Ag和Au等貴金屬及其合金製備的電極[24-26]。這類催化電極具有較好的活性和穩定性，但均催化H2O2的分解反應;另一類是Fe和Co的卟琳以及Cu的三嗪類大分子絡合物為前驅體製備的炭負載非貴金屬催化劑。這類催化劑的主要問題是穩定性差。

　　3.2 負極

　　鎂燃料電池的負極是鎂及鎂合金，但作為電池負極材料存在以下問題。鎂及鎂合金在水溶液中析氫量大，即自腐蝕速度快，導致容量損失大和負極利用率低;此外，鎂及鎂合金在放電過程中還存在負差效應，使得自腐蝕速率進一步增大，從而影響鎂燃料電池的放電性能。

　　目前，解決鎂及鎂合金作為電池負極材料所存在問題的途徑主要是開發新的合金，製備納米或者微米結構的鎂及鎂合金和對鎂及鎂合金進行表面處理。

　　開發新合金，即將鎂和其它合金元素製成二元、三元乃至多元合金。一方面可以細化鎂合金晶粒，增大析氫反應的過電位，以降低自腐蝕速度;一方面可以破壞鈍化膜的結構，使得較為完整、緻密的鈍化膜變成疏鬆多孔、易脫落的腐蝕產物，從而促進電極活性溶解，提高鎂合金的電化學性能。目前，國內外研究學者對新合金的開發進行了廣泛研究。鎂與鋁和鋅形成的合金的性能較好，日前用於水下電源的鎂半燃料電池中使用的鎂合金有AZ31和AZ61[7, 27]，英國Magnesium Elektron公司開發出了AP65和MT75鎂合金[28]，其特點是電位高、析氫量低、成泥少，析氫速度為0.15mL?min–1?cm–2，陽極利用率為84.6%，開路電位為–1.803 V ( vs. SCE)。王宇軒等[29]製備了Mg-Ga-X合金，此三元合金具有陽極極化小，析氫量低，腐蝕產物易脫落，成泥少的特點。鄧妹皓[30]等則研究了四種添加元素(Pb、Sn、Ga、稀土)對鎂合金的電化學性能的影響。馬正青[31]等在Mg中添加了Hg，並對合金性能進行了研究。Y. Feng等[32-34]則在Mg中添加了Hg和Ga，認為Hg和Ga的加入能夠提高鎂合金的電化學性能，作為負極材料能夠提高電池的開路電壓。