лекция 4. металл воздушные электрохимические технологии

1. Химические источники энергии
Лекция 4. Металл-воздушные электрохимические технологии

2. Лекция 4
 Как устроены и работают металл-воздушные
элементы

3. Схема металл-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

4. 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)

5. Газодиффузионный электрод (ГДЭ)
Козадеров О.А. 2015 г.

6. Срез ГДЭ (СЭМ-фотография)
Козадеров О.А. 2015 г.

7. Газодиффузионный электрод
Козадеров О.А. 2015 г.
Углеродная бумага (СЭМ-фотография)
гидрофобный
слой
частично смачивающийся
слой

8. Металл-воздушный элемент
Козадеров О.А. 2015 г.
 Электрохимическая система
(–) Металл | Электролит | O2 (+)

9. Цинк-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.

10. 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 (+)

11. Электрохимические процессы
Козадеров О.А. 2015 г.
 катодная реакция
О2 + 2Н2О + 4е- = 4ОН- (Е0 = 0,4 В)
 анодная реакция
 токообразующая реакция
   2 0
4Zn 4OH Zn OH 2e E 1,22 В
 
    
 2
42 2
1
Zn O 2OH H O Zn OH
2

   

12. 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

13. Электрохимические процессы
если 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 1,26 В 
     
2
1
Zn O ZnO
2
 

14. Кривые разряда щелочных элементов
(в сравнении)
Козадеров О.А. 2015 г.

15. 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
1
Zn O ZnO
2

   
 

16. Применение
Козадеров О.А. 2015 г.

17. Цинк-воздушный элемент-«таблетка»
Козадеров О.А. 2015 г.

18. Алюминий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.

19. 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 (+)

20. 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

21. Схема алюминий-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

22. 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

23. Применение
НПП Квант (Россия)
Козадеров О.А. 2015 г.
электропитание осветительных приборов, переносной теле- и радиоаппаратуры, средств связи,
различного электроинструмента
в 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

24. Применение
Phinergy (Израиль)
Козадеров О.А. 2015 г.

25. Магний-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.

26. 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 (+)

27. 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

28. Устройство магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

29. 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

30. Поляризационная кривая и кривая мощности
магний-воздушного элемента
Козадеров О.А. 2015 г.

31. Применение
Козадеров О.А. 2015 г.
 устройства электропитания для чрезвычайных
ситуаций и стихийных бедствий
 силовые устройства для регистраторов данных
 зарядные устройства
 устройства резервного питания

32. Литий-воздушные элементы
Козадеров О.А. 2015 г.

33. Различные типы литий-воздушных систем
Козадеров О.А. 2015 г.

34. Задание
Козадеров О.А. 2015 г.
 пользуясь материалами лекции, рассчитать
стандартное термодинамическое напряжение
 цинк-воздушного элемента
 алюминий-воздушного элемента
 магний-воздушного элемента