Upload
olegkozaderov
View
168
Download
16
Embed Size (px)
Citation preview
Химические источники энергии
Лекция 4. Металл-воздушные электрохимические технологии
Лекция 4
Как устроены и работают металл-воздушныеэлементы
Схема металл-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Газовый кислородный электрод
Устройство Электродные реакции
Козадеров О.А. 2015 г.
кислая среда
Pt, O2 | H3O+
О2 + 4Н+ + 4е- = 2Н2О (Е0 = 1,23 В)
щелочная среда
Pt, O2 | OH-
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
нейтральная среда
Pt, O2 | H2O
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
Газодиффузионный электрод (ГДЭ)
Козадеров О.А. 2015 г.
Срез ГДЭ (СЭМ-фотография)
Козадеров О.А. 2015 г.
Газодиффузионный электрод
Козадеров О.А. 2015 г.
Углеродная бумага (СЭМ-фотография)
гидрофобныйслой
частично смачивающийсяслой
Металл-воздушный элемент
Козадеров О.А. 2015 г.
Электрохимическая система
(–) Металл | Электролит | O2 (+)
Цинк-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Цинк-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца серебро
Анод металлический Zn
Электролит водный раствор щелочи
Электрохимическая система(–) Zn | KOH | O2 (+)
Электрохимические процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
катодная реакция
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
анодная реакция
токообразующая реакция
2 04Zn 4OH Zn OH 2e E 1,22 В
2
42 2
1Zn O 2OH H O Zn OH
2
Схема работы цинк-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Recent advances in zinc–air batteries by Yanguang Li and Hongjie Dai
Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 5257-5275
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00015c
Электрохимические процессыесли электролит насыщен цинкат-ионами
Козадеров О.А. 2015 г.
катодная реакция
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
анодная реакция
токообразующая реакция
0
2Zn 2OH ZnO H O 2e E 1,26В
2
1Zn O ZnO
2
Кривые разряда щелочных элементов(в сравнении)
Козадеров О.А. 2015 г.
Побочные процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
коррозия цинка
пассивация цинка
карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3
2
42 2
2
2Zn 6H O 2OH 2Zn OH 3H
1Zn O ZnO
2
Применение
Козадеров О.А. 2015 г.
Цинк-воздушный элемент-«таблетка»
Козадеров О.А. 2015 г.
Алюминий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Алюминий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца
серебро
Анод металлический Al
Электролит водный раствор щелочи или водный раствор NaCl
Электрохимические системы
(–) Al | KOH | O2 (+)
(–) Al | NaCl | O2 (+)
Электрохимические процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0,40 В)
Анодные реакции
Al + 4OH– = Al(OH)4– + 3e– (E0 = –2,33 В)
Al + 3OH– = Al(OH)3 + 3e– (E0 = –2,31 В)
Токообразующие реакции
4Al + 3O2 + 6H2O + 4OH– = 4Al(OH)4–
4Al + 3O2 + 6H2O = 4Al(OH)3
Схема алюминий-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Побочные процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
коррозия алюминия
2Al + 6H2O + 2OH– = 2Al(OH)4– + 3H2
пассивация алюминия
карбонизация щелочного электролита
2KOH + CO2 → K2CO3 + H2O
KOH + CO2 → KHCO3
ПрименениеНПП Квант (Россия)
Козадеров О.А. 2015 г.
электропитание осветительных приборов, переносной теле- и радиоаппаратуры, средств связи, различного электроинструментав интересах Министерства Обороны: электропитания приборов обеспечения стрельбы артиллерии, артиллерийских квантовых дальномеров, переносных станций радиолокационной разведки, переносных радиостанций спутниковой связи, автономного электропитания оборудования, приборов и военной техники, зарядки аккумуляторов в полевых условиях.
углеродный катод и алюминиевый анод
ПрименениеPhinergy (Израиль)
Козадеров О.А. 2015 г.
Магний-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Магний-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катод газодиффузионный воздушный электрод пористый, с высокоразвитой поверхностью с каталитическим слоем
диоксид марганца серебро
Анод металлический Mg
Электролит водный раствор NaCl
Электрохимическая система(–) Mg | NaCl | O2 (+)
Процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
Катодная реакция
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH– (E0 = 0.40 В)
Анодная реакция
Mg + 2OH- = Mg(OH)2 + 2e– (E0 = –2.69 В)
Токообразующая реакция
2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2
Побочная реакция
2Mg + 2H2O = Н2 + 2Mg(OH)2
Устройство магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Схема работы магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Magnesium–air batteries: from principle to application
by Tianran Zhang, Zhanliang Tao and Jun Chen
Mater. Horiz., 2014, 1, 196-206
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/mh/c3mh00059a
Поляризационная кривая и кривая мощности магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.
Применение
Козадеров О.А. 2015 г.
устройства электропитания для чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий
силовые устройства для регистраторов данных
зарядные устройства
устройства резервного питания
Литий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.
Различные типы литий-воздушных систем
Козадеров О.А. 2015 г.
Задание
Козадеров О.А. 2015 г.
пользуясь материалами лекции, рассчитать стандартное термодинамическое напряжение
цинк-воздушного элемента
алюминий-воздушного элемента
магний-воздушного элемента