лекция 4. металл воздушные электрохимические...

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