海水提鎂可行分析

鎂海水燃料電池小功率鎂海水電池

這種電池以鎂為陽極 ，炭材為陰極 ，海水作電解質(zhì) ，海水中溶解的氧氣為氧化劑 ，一般為開放式結(jié)構(gòu)該類鎂海水電池的電化學(xué)反應(yīng) 如右圖 ：

與自腐蝕相共軛的是鎂陽極表面的析氫過程 ，即自放電過程 ，是影響其有效使用的主要因素。電極理想的過程控制應(yīng)該是盡量控制自腐蝕過程 ，增加鎂 陽極的有效放電效率。由于電解質(zhì)和氧氣直接取自海水，唯一消耗的是鎂 ，因而具有很高的比能量，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、造價(jià)低廉、安全可靠 、干存儲(chǔ)時(shí)間無限長。由于受海水中溶解氧氣濃度限制 (約 0．3moL／m ，對(duì)應(yīng) 電量 28A ·h／m )，輸出功率較小 ，適用于長期在海下工作的小功率電子儀器，如水下通訊設(shè)備、海下導(dǎo)航儀 、航標(biāo)燈等。以鎂合金 AZ61為燃料制備了海水溶解氧電池 ：陽極鎂合金尺寸為 618．4cm×110．0cm，陰極為碳纖維 ，綁束在鐵絲上形成試管刷式結(jié)構(gòu) ，管刷直徑 9cm，l4個(gè)碳纖維刷式陰極被焊接到 4,80em 的鐵圈上 ，鐵圈被固定在 1個(gè) 1m×1m×1m 的鐵框架內(nèi)，而鎂合金則固定在鐵框架中心 ；此電池的初始電壓為 1．2V(2w 負(fù)載)，20h后增加并穩(wěn)定在 1.6V，總輸出功率 已達(dá) 55kW ·h。2008年 ，日本開發(fā)了深海地震探測(cè)儀 ：電池 的陽極為 4,0．184m×2．200m的鎂合金棒 ，陰極為碳纖維和鐵集流體 ；使用4組SWB1200海水電池連續(xù)對(duì) 5577m深海地床供電，5年運(yùn)行結(jié)果表明，電池組的平均輸出功率為13W，能量密度能夠達(dá)到 318W ·h／kg，大大高于堿錳電池的 150W ·h／kg。法國和挪威合作研制的名叫“CLIPPER”的 自動(dòng)水下航行器 (AUV)所用的電源也是該類海水電池 ，預(yù)計(jì)可在 2m／s航 速下行駛1600海里?？梢?，其具有巨大的應(yīng)用前景。以氧化處理的碳纖維刷作陰極材料 ，鎂合金作陽極材料制作3臺(tái)樣機(jī)作連續(xù)實(shí)海放電測(cè)試 ，運(yùn)行2個(gè)月表明，與商品化的海水電池 SWB1200初步相比，該海水超級(jí)電容溶解氧電池具有更高的體積比功率密度 。

鎂海水燃料電池半燃料鎂海水電池

該類電池主要以 Mg／H₂O₂半燃料海水電池為主。與鋁電極相比，采用鎂電極可不添加 NaOH等堿性電解質(zhì) ，能較大幅度提高比能量 。但能承載的電流密度較 Al／H₂O₂ 低 ，一般在 50mA／c㎡ 以下。

中性(堿性 )Mg／H2O2 半燃料電池一般可 表示為(一)MglNaCl(NaOH)lH₂O₂( )，其電極反應(yīng) ：

美國海軍水下作戰(zhàn)中心 (NUWC)為無人水下航行器 (UUV)設(shè)計(jì)的 Mg／H₂O₂電池 陽極為 AZ61鎂合金 ，陰極為碳載 Pd—Ir催化 ，陰極和 陽極之間用甘油處理過 的 Nafion 115隔離 ，采用雙極性堆式結(jié)構(gòu) ，電極面積 1000cm ，通過延長導(dǎo)流板流道來減小漏電電流 ，研制初期這種電池存在的問題是生成的Mg(OH)₂和MgCO₃沉淀覆蓋電極表面，向電解液中加入 0．1moVL硫酸后 ，25mA／cm放電時(shí) ，電壓 由 1．1～1．2V(50℃)提升至 1．3～1．5V-6；優(yōu)化工藝參數(shù)后 ，電壓達(dá)到 1．7V ，25℃時(shí) H202的利用率達(dá)到 86％，電池本體比能量達(dá) 500—520W ·h／kg。

鎂海水燃料電池大功率鎂海水電池

一： Mg／CuCI

Mg／CuCl系列海水電池負(fù)極 為鎂合金 ，正極為氯化亞銅 ，電池采用雙極性結(jié)構(gòu) 。電極反應(yīng)原理如下 ：

為增加負(fù)極的負(fù)電位 ，使反應(yīng)產(chǎn)物易于脫落 ，美國在鎂合金中添加了 Pb和 Ti；而俄羅斯 由于缺 Pb及 Ti，將Mg3Hg加人其 中并獲得了成功。該 Mg／CuCl系列海水電池于20世紀(jì)80年代末期就用作魚雷動(dòng)力電池，其比能量可達(dá) 150W ·h／kg，價(jià)格為同容量銀鋅電池的 1／3。

二：Mg／AgCl

Mg／AgCl海水電池也是目前魚雷中應(yīng)用比較廣泛的一種一次 電池，其負(fù)極是鎂合金 ，正極是氯化銀 ，采用雙極性結(jié)構(gòu)。電極反應(yīng)原理如下 ：

海水是鎂陽極很好的活化溶液 ，其在海水中能長期保持活性 ；同時(shí)由于鎂的極化較大 ，對(duì)電極反應(yīng)的熱效應(yīng)也較大 ，保證了該電池具有 良好 的低溫性能 ，無需輔助加熱裝置就可適應(yīng) 一6O℃低溫 ，以溶解度很低 的AgCl作正極。Ag／AgCl電極電位非常穩(wěn)定 ，能作為中性溶液中的參比電極 ，其放電后轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電性良好 的Ag，電池內(nèi)阻很小 ，適用于大電流密度下工作 。因此 ，該 電池系統(tǒng)放 電電壓平穩(wěn) ，比能量可高達(dá) 88W ·h／kg左右 ，耐高溫 、低溫性 能均 良好 ，可進(jìn)行大電流放 電。這種電池靠海水激活 ，平時(shí)處于干態(tài)保存 ，擱置時(shí)間可長達(dá)5年，但這一體 系需要消耗貴金屬 Ag，造價(jià)高 ，其總功率有待提高。

鎂海水燃料電池具有能量密度高、安全性好、可全海深工作的優(yōu)點(diǎn)，在深海著陸器、深海原位實(shí)驗(yàn)站等海洋裝備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景 。2100433B

在海水溶液中，鎂合金作為電池陽極材料需要克服自腐蝕速率大、陽極利用率低、陽極極化 、電位滯后等問題。鎂合金放電后 ，表面的氧化膜受到不可修復(fù)的破壞，隨著自腐蝕持續(xù)進(jìn)行 ，存儲(chǔ)性能下降。給鎂合金負(fù)極施加 陽極極化電流或電位 ，隨陽極極化電流或電位的增加 ，鎂合金陽極材料的自腐蝕電流密度反而增加 ，此現(xiàn)象稱為“負(fù)差數(shù)效應(yīng)”。此效應(yīng)是鎂 、鋁等金屬陽極溶解時(shí)存在的現(xiàn)象 ，是其放電電流效率降低的主要原因。