双电解质铝空气微流体燃料电池.doc

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1、双电解质铝空气微流体燃料电池摘要：以甲醇为溶剂制备氢氧化钾/甲醇溶液作铝阳极电解液、以水为溶剂制备氢氧化钾溶液为空气阴极电解液，制得一种双电解质铝空气微流体燃料电池。1000L/min下，阳极电解液含水量20%时电池短路电流密度为270mA/cm2，最大功率密度90mW/cm2，铝自腐蚀率仅为在氢氧化钾水溶液中的10.5%。总的来说，含氢氧化钾/甲醇溶液的双电解质铝空气微流体燃料电池应用到小型电子设备中是具有吸引力的。笔记本电脑、手机、数码相机等便携式电子产品的增长刺激了高功率、高能量密度电池的发展1。微流体燃料电池是一种新兴的微燃料电池，自2002年2问世以来，掀起了一股研究热潮3-4。这是

2、一种共层流结构，流体被限制在毫米到微米的微通道中，可自然分层3-5，具有体积小，成本低等优点6。金属空气电池将高能量密度金属阳极(例如，锂，镁，铝)与空气阴极结合，将化学能转换成电能。铝因其优异的综合性能，被认为是更有前景的材料，其比容量为2980mAh/g，体积比容量几乎是锂的四倍(8046mAh/cm3VS 2062mAh/cm3)。铝空气电池理论电势为2.7V，铝的质量比能量为8046Wh/kg，体积比能量为21724Wh/L，比气态氢高一个数量级7。此外，铝储量相对丰富8，运输和储存方便，有成熟的生产和回收技术，对环境友好9。铝空气电池的研究始于20世纪60年代，但迄今为止应用有限10

3、。主要是阳极剧烈自腐蚀显著降低了库仑效率并增加了氢气爆炸的可能性11-12。研究人员试图通过铝合金化12-14或使用添加剂改性电解质来抑制自腐蚀15-17，另一方面开始探索新的无水溶剂电解质，如有机电解质18-21，固体或凝胶电解质22和离子液体10,23-25。铝在乙醇溶液中表现出较高的活性，且自腐蚀率较低26-28。本文结合微流体结构和铝空气电池的优点，提出了一种双电解质铝空气微流体燃料电池，铝自腐蚀率大大降低，容量和传统碱性铝空气电池相比显著提高，其在便携式电子领域具有广阔的应用前景。1实验1.1电池设计如图1所示，通过激光微加工技术在聚合物板上制造铝空气微流体燃料电池，详情见参考文献5

4、,29-32。电池结构如图1(a)和1(b)所示，彼此相邻的层用高性能层压粘合剂密封。通道层由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成，其他层由聚萘甲酸乙酯制成。1.2电极和电解质的制备使用高纯度铝(99.9991)为阳极，空气扩散电极(GDE)为阴极。将氢氧化钾溶于无水甲醇(逸99.9)，制备4mol/LKOH/CH3OH电解质，以及含水量分别为5、10、20的4mol/LKOH/CH3OH电解质，以去离子水为溶剂制备4mol/LKOH/H2O电解质。使用前将所有电解质用氮气净化10min。1.3铝自腐蚀研究将样品浸入60mLKOH/CH3OH，KOH/H2O和含水量为5%、10%、20%的KOH/CH3O

5、H溶液中。在KOH/H2O溶液中浸泡6h，然后去离子水清洗，在其余溶液中浸泡24h，用甲醇冲洗，并用高压氮气快速干燥。将腐蚀前后的样品称重并用扫描电子显微镜(SEM)进行研究。自腐蚀率通过参考文献28中描述的质量损失法测定。1.4电池测试共层流电解液由蠕动泵通过柔性聚合物管驱动。使用电化学工作站获得电池极化数据，测试阳极和阴极极化，参比电极Hg/HgO/1mol/LNaOH，详情见参考文献33。2结果与讨论2.1铝自腐蚀结果铝自腐蚀率如表1所示，等效于开路条件下阳极自腐蚀电流密度。当铝的工作电位大于开路电压时，自腐蚀率降低，但这超出了本工作的范围10。4mol/L KOH/H2O电解液中铝自腐

6、蚀电流密度为60.49mA/cm2，4mol/L KOH/CH3OH中自腐蚀电流密度为1.29mA/cm2，仅相当于前者的2%。当KOH/CH3OH溶液中含水量从5%增加到10%、20%，自腐蚀率有所增加，相应地，自腐蚀电流密度从2.72mA/cm2增加到3.71、6.38mA/cm2。即使含水量达到20%，仍然显示出较低的自腐蚀率，约为KOH/H2O电解质中的10.5%。2.2单电解质铝空气微流体燃料电池的性能研究2.3双电解质铝空气微流体燃料电池的性能研究以氢氧化钾/甲醇溶液为阳极电解质，氢氧化钾水溶液为阴极电解质，研究了双电解质铝空气微流体燃料电池在不同流速下的性能，如图4所示。通过在3

7、00L/min低流速下监测电池以及单个电极的开路电压来测试电池稳定性如图4(a)所示，电池稳定运行。图4(b)中，电池的开路电压约为1.421.5V，与单电解质电池水平相近。电流密度随着流量的增加而提高，这可能是由于更快地向铝表面提供OH，以及从铝表面快速去除反应产物的共同作用。图4(c)进一步证实了这一推测：在较高流速下，阳极极化曲线不那么陡峭，而阴极极化曲线几乎重合。1000L/min下，电池短路电流密度约为56mA/cm2，最大功率密度为25mW/cm2。电流密度和功率密度的显著降低主要有两个原因：有机电解质中铝电化学活性低，有机电解质导电性弱。电池内阻1195，阳极电解液和阴极电解液电

8、阻分别为33.7和13.3。与单电解质电池相比，由于电导率差异，电解质电阻增加了31.2。根据图4(c)，阳极电位从1.300.03V，阴极电位从0.210.03V，得到Ra和Rc为1010.2和137.8。总的来说，内阻高主要是由Ra造成的，这说明KOH/CH3OH电解质中铝的电化学活性很低，这是电池功率密度较差的主要原因。在双电解质铝空气微流体燃料电池的基础上，研究人员尝试在KOH/CH3OH阳极电解液中加入适量水，以达到高的铝活性和抑制自腐蚀之间的平衡状态26-27,34。本文测试了不同流速下KOH/CH3OH阳极电解液含水量分别为5%、10%、20%时电池的性能，结果如图5，6和7所示

9、。图5显示4mol/LKOH/CH3OH电解液中含水量为5%时电池的性能。与不含水时相比，每个流速下电池的JSC图5(a)都有很大的改善。1000L/min时，电池短路电流密度JSC为112mA/cm2，几乎是不含水时的两倍，最大功率密度为52mW/cm2。内阻为619，阳极电解液和阴极电解液电阻分别为24.1和13.3。阳极电位在1.300.027V范围，相应的Ra为471.1，阴极电位在0.210.027V范围，Rc为110.5。Ra显著降低，表明加入少量水后铝活性大大增加。这是电池在含5%水的KOH/CH3OH阳极电解液中有较高功率密度的主要原因。图6显示4mol/LKOH/CH3OH电

10、解液中含水量为10%时电池的性能。1000L/min下图6(a)，电池的JSC为133mA/cm2，最大功率密度为66mW/cm2。内阻507，阳极电解液和阴极电解液电阻分别为22.2和13.3。阳极电位在1.290.18V范围，相应的Ra为344.2，阴极电位从0.210.18V，Rc为127.3。图7显示4mol/LKOH/CH3OH电解液中含水量为20%时的电池性能。1000L/min下图7(a)，电池的JSC为270mA/cm2，约为无水时的4.8倍，最大功率密度为90mW/cm2。内阻229，阳极电解质和阴极电解质电阻分别为15.8和13.3。阳极电位在1.200.72V范围，相应的

11、Ra为70.0，阴极电位在0.20.72V范围，Rc为130.0。总体而言，双电解质铝空气微流体燃料电池电流和功率密度随着阳极电解液中水含量的增加而提高，尽管仍然低于单电解质铝空气微流体燃料电池。考虑到铝的自腐蚀，建议不要使用氢氧化钾水溶液为电解质。如果需要更高的电流密度和低的铝自腐蚀率，可以加适量水(高达20%)到KOH/CH3OH阳极电解液中。3总结本文设计了一种双电解质铝空气微流体燃料电池，比较了铝在不同电解质中的自腐蚀率以及电池的功率密度。实验数据表明氢氧化钾/甲醇溶液对铝的自腐蚀反应有明显抑制作用，无水甲醇为溶剂时铝自腐蚀电流密度为1.29mA/cm2，相当于以水为溶剂时的2%，功率密度25mW/cm2。随着KOH/CH3OH溶液中含水量增加，铝自腐蚀率有所增加，而电池功率密度有了明显的提高，含水量达20%时电池功率密度为90mW/cm2，自腐蚀电流密度6.83mA/cm2。结果表明氢氧化钾/甲醇溶液中加适量水可以在抑制铝自腐蚀的同时一定程度上增加铝活性，提高电池功率密度。15