燃煤造成的二氧化硫和烟尘排放量约占其排放总量的70%，目前燃煤的二氧化硫年排放量约1500万t；烟尘700多万t；酸雨面积已占国土面积的1/3。燃烧中二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等温室气体的大量排放已造成臭氧层破坏，气候发生变化，全球变暖，对人类生存构成极大影响，已成为21世纪能源领域面临挑战的关键因素。......
2023-06-30
如何改善锌电极在碱性环境下的循环性能
【摘要】：基于锌的蓄电池，如镍锌电池和银锌电池，工作在碱性环境中，其中的化合物易于回收，而且原材料易于获取。在21世纪初，美国Evercel公司建成了镍锌电池的规模化工业生产能力，最初是在美国，但很快转移到了中国。镍锌电池坚固耐用，性能稳定，运行过程中几乎不需要维护（水密封）。
基于锌的蓄电池，如镍锌电池（Ni-Zn）和银锌电池（Ag-Zn），工作在碱性环境中，其中的化合物易于回收，而且原材料易于获取。锌电池的应用范围很广，从消费类电子产品到军事或航天系统均可以应用。
与镍镉电池相比，镍锌电池的价格较低，可利用电压高25%，但其充放电循环能力差（600～1000次）。镍锌电池的化学反应方程式如下：
镍锌电池是少数几种采用水电解液，但可以工作在高于水分解电压的蓄电池，这与锌热力学性质有关。同时锌具有较高的理论容量，可以达到820A·h/kg。此外，锌含量丰富、成本低、无毒性，这都是锌电池的优势，也是目前业界对锌电池进行大量研究的原因。但碰到的一个主要问题基本上都是如何改善锌电极在碱性环境下的循环性能，包括结晶的形成和大规模锌的再分布。
为了克服上述问题，业界目前已经推出了一些解决方案。我们特别关注那些电解质不能移动的电池，其主要目的是限制锌在碱性条件下反应生成的锌酸盐溶解。为了实现此目的，已经采用低浓度（＜5M）氢氧化钾的解决方案，含有添加剂为氟化物、磷酸盐、碳酸盐等，与锌形成不溶性化合物。同时，也在活性电极增加了石灰，形成钾浓度低于7M时稳定不溶的钙锌酸盐。
为了延迟在充电时形成的锌剥离物枝晶的增加，通常采用多层微孔分离器，甚至离子交换膜。尽管不同的解决方案提高了电池的使用寿命（大约200个循环周期），但是由此而引起了内阻增加、功率密度和能量密度降低、成本增加等问题，特别是多层的微孔分离器或离子交换模的引入破坏了镍锌系统。
在21世纪初，美国Evercel公司建成了镍锌电池的规模化工业生产能力，最初是在美国，但很快转移到了中国。该技术基于低浓度的碱液方案，并采用钙锌酸盐活性剂（美国专利5863676）和多层隔膜，但其循环使用寿命很难超过300次。其他拥有镍锌技术的美国公司有Evionyx，通过其子公司Xellerion推出包括一个离子交换膜的电池（美国专利7119126）；PowerGenix公司正在开发应用于便携式电子设备的SubC型镍锌电池，通过添加氟化物、硼酸盐、磷酸盐等以改进碱性电解质的性能，降低锌化合物的可溶性（美国专利2006207084）。
镍锌电池兼具能量型储能和功率型储能的特点，就目前的发展水平看，其性能已经优于镍镉和镍氢电池，并可承受高倍率的充电和放电。镍锌电池的额定电压为1.65V，循环寿命与镍镉电池相当，但镍锌电池的自放电率和记忆效应更低。镍锌电池坚固耐用，性能稳定，运行过程中几乎不需要维护（水密封）。与镍镉、镍氢等其他碱性电池相比，镍锌电池的制造成本更低，而且不含重金属，废弃电池易于回收。然而，该电池技术仍然需要经过实践检验，这也是其产品目前还没有大规模应用的原因。
镍锌电池是少数几种采用水电解液，但可以工作在高于水分解电压的蓄电池，这与锌热力学性质有关。同时锌具有较高的理论容量，可以达到820A·h/kg。此外，锌含量丰富、成本低、无毒性，这都是锌电池的优势，也是目前业界对锌电池进行大量研究的原因。但碰到的一个主要问题基本上都是如何改善锌电极在碱性环境下的循环性能，包括结晶的形成和大规模锌的再分布。
为了克服上述问题，业界目前已经推出了一些解决方案。我们特别关注那些电解质不能移动的电池，其主要目的是限制锌在碱性条件下反应生成的锌酸盐溶解。为了实现此目的，已经采用低浓度（＜5M）氢氧化钾的解决方案，含有添加剂为氟化物、磷酸盐、碳酸盐等，与锌形成不溶性化合物。同时，也在活性电极增加了石灰，形成钾浓度低于7M时稳定不溶的钙锌酸盐。
为了延迟在充电时形成的锌剥离物枝晶的增加，通常采用多层微孔分离器，甚至离子交换膜。尽管不同的解决方案提高了电池的使用寿命（大约200个循环周期），但是由此而引起了内阻增加、功率密度和能量密度降低、成本增加等问题，特别是多层的微孔分离器或离子交换模的引入破坏了镍锌系统。
在21世纪初，美国Evercel公司建成了镍锌电池的规模化工业生产能力，最初是在美国，但很快转移到了中国。该技术基于低浓度的碱液方案，并采用钙锌酸盐活性剂（美国专利5863676）和多层隔膜，但其循环使用寿命很难超过300次。其他拥有镍锌技术的美国公司有Evionyx，通过其子公司Xellerion推出包括一个离子交换膜的电池（美国专利7119126）；PowerGenix公司正在开发应用于便携式电子设备的SubC型镍锌电池，通过添加氟化物、硼酸盐、磷酸盐等以改进碱性电解质的性能，降低锌化合物的可溶性（美国专利2006207084）。
镍锌电池兼具能量型储能和功率型储能的特点，就目前的发展水平看，其性能已经优于镍镉和镍氢电池，并可承受高倍率的充电和放电。镍锌电池的额定电压为1.65V，循环寿命与镍镉电池相当，但镍锌电池的自放电率和记忆效应更低。镍锌电池坚固耐用，性能稳定，运行过程中几乎不需要维护（水密封）。与镍镉、镍氢等其他碱性电池相比，镍锌电池的制造成本更低，而且不含重金属，废弃电池易于回收。然而，该电池技术仍然需要经过实践检验，这也是其产品目前还没有大规模应用的原因。
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2024-05-08
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2023-11-01
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2023-11-18
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