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碳和石墨在电化学电源-原电池中的应用

日期:2023-11-30 浏览:794


碳和石墨在电化学电源-原电池中的应用

简介

几乎所有的电化学电源都含有这样或那样的碳材料。原电池(不可充电)和蓄电池、超级电容器和燃料电池中都含有碳和石墨材料。

使碳材料特别适合于能源存储和转换应用的属性包括其导电性、化学稳定性、电化学稳定性,以及碳材料具有各种不同的结构、纹理和形态。此外,许多碳和石墨材料比替代的非碳材料便宜。

从功能角度看,碳和石墨材料既用作活性材料,也用作非活性材料。活性材料是实际负责储存电荷的组件。例如,Li+离子在Li-ion电池的石墨中的储存,或者电解质阳离子和阴离子在超级电容器的多孔碳的电化学双层中的储存。非活性材料是在储存过程中支持活性材料的组件,包括电流集电器、导电添加剂、导电涂层等。

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 原电池

原电池(或不可充电电池)在制造时已经充电,可以放电一次,然后需要用新电池替换。它们通常使用金属(如Zn或Li)作为负极(阳极)和氧化物(如MnO2和Ag2O)、空气或其他材料作为正极(阴极)。水电解质系统的典型电压为1.2-1.5V。对于电池电压较高的系统,例如,那些以Li金属为阳极的系统,需要使用有机或固态电解质,因为含水电解质会被电解为H2和O2。一次性电池有各种电池设计,包括钮扣/硬币电池、圆柱电池和不同大小的棱柱电池,从mAh到kAh的范围。 碱性锰电池是目前最重要的一次性电池系统。碱性锰电池的广泛使用源于其高容量和高功率,这使得它成为便携式消费应用的首选一次性电池系统(在可充电电池开始接管之前)。此外,还商业化了许多其他的电池化学品种,其选择取决于应用和环境对性能的要求。 碳和石墨材料的主要应用是作为导电添加剂用于电子导电性差的氧化物阴极材料,作为空气电极中的催化剂和催化剂支持,以及作为电池罐的导电涂层,以减少金属罐和电极之间的接触电阻。 表1列出了一些可能应用碳材料的选定的一次性电池系统。图1显示了锌碳和碱性锰电池的典型结构。

电池系统

电池化学

典型应用

使用的碳和石墨材料

(a) 水性电解质

锌碳 - Leclanché

A: Zn
  C: MnO2
  E: NH4Cl+ZnCl2
  V: 1.5 V

从一般用途到超重型:便携式消费电子产品、手电筒、玩具、计算器、烟雾探测器、工业应用等。

MnO2电极中的CB(如AB),作为导电添加剂和保留电解质(MnO2 : C = 1:1用于高功率,11 : 1用于高能量)。碳棒作为MnO2电极的电流集电器引脚,由CB、石墨和粘合剂制成,以提供导电性和机械强度。碳导电涂层作为多电池电池的单个电池之间的接触。

锌碳 - 锌氯化物型

A: Zn
  C: MnO2
  E: ZnCl2
  V: 1.5 V

与锌碳 - Leclanché型相同

与锌碳 - Leclanché型相同

碱性锰

A: Zn
  C: MnO2
  E: KOH
  V: 1.5 V

最受欢迎的主电池系统,是便携式消费电子产品的首选系统

MnO2电极中的天然和合成石墨粉末、AB/或膨胀石墨,作为导电添加剂和保留电解质(通常为2-10%)。石墨分散液(以丙烯酸为粘合剂)用于罐涂层,以降低罐和阴极之间的接触电阻

-

A: Zn
  C: Ag2O
  E: KOH
NaOH
  V: 1.5 V

助听器、摄影、电子表、水下和空间应用、军事应用等

Ag2O电极中的石墨粉末,作为导电添加剂(1-7%

-汞氧化物

A: Zn
  C: HgO
  E: KOH
NaOH
  V: 1.35 V

助听器、起搏器和其他医疗设备、摄影、探测器、军事应用等

HgO电极中的石墨粉末,作为导电添加剂并防止Hg金属在放电状态下的团聚(3-10%

Zn-空气

A: Zn C: O2 + Mn氧化物催化剂 E: KOH V: 1.5 V

助听器、医疗设备、便携式电子产品、特殊应用等

空气电极的Mn氧化物催化剂层中的活性炭和CB

(b) 有机电解质

Li-锰氧化物

A: Li
  C: MnO2
  E:
有机溶剂+
  V: 3.0 V

消费设备(替代碱性锰电池)、存储器备份、安全和安防设备、军事电子设备等

MnO2电极中的CB和石墨,作为导电添加剂

Li-SO2

A: Li
  C: SO2
  E: SO2 +
丙腈+LiBr
  V: 3.0 V

工业、空间、军事应用、储备电池等

阴极用四氟乙烯键合的碳(AB)电极

Li-SOCl2

A: Li
  C: SOCl2
  E: SOCl2 + AlCl4
  V: 3.6 V

存储器备份、应急备用电源、其他需要长期运行寿命的应用、军事应用、储备电池等

阴极用四氟乙烯键合的碳(AB)电极

Li-氟化碳

A: Li
  C: (CF)n
  E:
有机溶剂+
  V: 2.6 V

PC板、麦克风、无线电设备、遥测、摄影设备、LED、闪光灯、其他低耗和待机应用、高温应用、生物医学、政府、空间、军事应用等

(CF)n电极中的CBAB),作为导电添加剂

注:A = 阳极,AB = 乙炔黑,C = 阴极,CB = 碳黑,E = 电解质,V = 名义电池电压。



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图1 (a) 碳锌电池和 (b) 碱锰电池的典型结构。



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