钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究(九)

第Ⅱ部分 钨在新能源电池市场的介绍
第九章 钨在锌空电池中的应用

锌空电池(Zinc-Air Battery)是一种半蓄电池半燃料电池,是一种以空气中的氧气为正极活性物质,金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。锌空电池的负极活性物质同锌锰、铅等蓄电池一样封装在电池内部,具有蓄电池的特点;正极活性物质来自电池外部的空气中所含的氧,理论上有无限容量,是燃料电池的典型特征。

锌空电池是一种可充电的电池,可以通过充电和放电的过程来储存和释放电能。锌空电池的工作原理:当电池放电时,锌电极与氧气发生反应,生成氧化锌和电子。这个反应是氧化还原反应,其中锌被氧化,氧气被还原。电子通过外电路流动,产生电流,为负载提供电能。当电池充电时,反应逆向进行,电子从外电路流入,还原锌电极和氧气,使电池恢复到初始状态。

锌空电池图片

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锌空气电池可以表达为:(-) Zn | KOH | O2 (+)

锌空气电池放电时阳极和阴极发生的电化学反应为:
Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-
Zn(OH)42-→ZnO+2OH-+H2O
O2+2H2O+4e-→4OH-

总的电化学反应为:2Zn+O2→2ZnO

据中钨在线/中钨智造了解,过渡金属钨(W)能应用在锌空电池中,主要体现在其多种化合物如黄色氧化钨(三氧化钨,WO3)、紫色氧化钨(WO2.72)、二硫化钨(WS2)和钨酸钴(CoWO4),都可以作为锌空电池的催化剂。这些催化剂在锌空电池中起到加速氢气和氧气反应的作用,从而提高电池的容量和充放电效率。

中钨在线纳米紫色氧化钨图片

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黄色氧化钨是一种常见的催化剂,其稳定的晶体结构和良好的化学性质使其在锌空电池中表现出良好的催化性能。WO3的催化活性较高,能够有效地促进氧还原反应(ORR)和氧进化反应(OER),从而提高电池的反应速率。此外,WO3还具有良好的耐候性和稳定性,可以在多次充放电循环中保持其性能。

中钨在线纳米黄色氧化钨图片

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紫色氧化钨也是一种具有高催化活性的催化剂,尤其适合在锌空电池中使用。与黄色氧化钨相比,WO2.72的晶体结构更加稳定,可以承受电池充放电过程中的极端条件。同时,WO2.72的表面性质活泼,可以提供更多的活性位点,促进氢气和氧气的反应。这种催化剂的应用可以显著提高锌空电池的反应速率和能量转化效率。

二硫化钨和钨酸钴也是锌空电池中常用的催化剂。WS2具有较好的化学稳定性和电导率,可以有效地促进氧还原反应。同时,WS2还可以抑制电极上的副反应,从而提高电池的稳定性和寿命。而钨酸钴作为一种钴基催化剂的前驱体,具有较好的低温活性和耐候性,可以在较低的温度下启动电池反应,并且保持较长的使用寿命。

总的来说,多种钨化合物都可以在锌空电池中作为高效的催化剂。这些催化剂的应用能显著提高锌空电池的性能和效率,进一步推动锌空电池技术的发展和应用。

中钨在线纳米紫色氧化钨图片

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锌空电池的优点:(1)该电池不会因为过热、短路、穿刺等外部因素而发生燃烧或爆炸,具有较高的安全性。(2)该电池的正极使用活性碳和铜网,没有使用一些有毒害的物质,对环境友好。(3)与传统的铅酸蓄电池相比,锌空电池的能量密度更高,能够提供更多的电能。(4)该电池的充电速度较快,可以在短时间内为设备提供大量的电能。(5)锌电极使用完后,可以通过再生方式恢复其性能,实现资源的循环利用。

锌空电池的缺点:(1)锌空气电池的比能量是铅酸蓄电池的4~6倍,比锂离子电池比能量都大1倍,以其作为动力的电动汽车最大行程可达400km,而以同等质量的铅酸蓄电池装同样的车一般行程则不大于100km。(2)虽然锌空电池的制造成本较铅酸蓄电池低,但由于其使用成本相对较高,包括维护、更换电极等费用,因此整体使用成本较高。(3)锌空电池通常采用机械充电方式,要求将锌电极取出在专用充电槽中充电,只有专业人员才能进行操作,给使用带来了麻烦,同时也提高了人工费用。(4)寿命短:这主要是因为电池的结构带来的影响。如电池的外壳是由塑料包覆空气电极而成,不是完整的塑料槽,因此给电池的密封带来了困难,不少电池在使用一定时间后就出现漏液现象。其次,锌空气电极必须制成多孔状,多孔的电极可吸附氧气,但同时也吸附部分二氧化碳,使电解液碳酸盐化,致使电池的效率大大下降。(5)批量生产加工工艺不够成熟:这主要是催化膜和防水透气膜的制造,大多需要半机械操作,存在一些手工因素,导致电极性能有差异。

锌空电池图片

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锌空电池被广泛应用于各种领域,包括但不限于以下方面:

电动汽车:由于其高能量密度和长寿命特性,锌空电池被用作电动汽车的动力来源。

电动汽车图片

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无人机:无人机需要轻便、高效且长寿命的电池来提供飞行所需的电能。

电动自行车:电动自行车需要长寿命、轻便且环保的电池来提供动力。

电动自行车图片

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备用电源:在电力供应不稳定或不可用的情况下,锌空电池可以作为备用电源使用。

移动设备:手机、平板电脑等移动设备也可以使用锌空电池作为电源。

平板电脑图片

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环境监测和科学研究:锌空电池在环境监测和科学研究中也有广泛的应用。例如,可以使用锌空电池为传感器提供电力,以监测环境中的气体浓度或温度等参数。

医疗领域:在医疗领域中,锌空电池也被用于各种医疗设备和仪器中。例如,可以使用锌空电池为心脏起搏器或胰岛素泵提供电力。

除颤仪图片

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能源存储系统:锌空电池可以作为可再生能源存储系统的一部分使用。例如,可以使用锌空电池将太阳能或风能产生的电能储存起来,以便在需要时使用。

其他领域:除了上述领域外,锌空电池还可以用于其他各种领域中。例如,可以使用锌空电池为玩具、遥控器等小型电器提供电力。

太阳能电池板图片

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据中钨在线了解,近年来,传统锌空电池行业企业在市场中面临着较大的生存压力。由于国内新兴的小作坊企业的灵活商业模式和价格竞争策略,他们只能获得微薄的利润。这些小企业通过各种手段降低成本,参与市场竞争,给传统企业带来了巨大的损失。

面对国际锌空电池行业大企业的竞争和非标小企业的渗透,传统企业显得力不从心。市场外部环境的变化,包括经济、社会、技术、法规和标准等方面的变革,以及货币市场供求关系的变化,都给传统企业带来了不小的冲击。这些因素使得传统锌空电池行业企业不得不寻求创新和变革,以适应市场的变化。

尽管锌空电池行业市场已进入快速发展阶段,产业链和管理链也在逐步完善,但由于缺乏上级法律和相关企业资质认定规则,部分领域的管理存在空缺。珠三角、长三角、京津地区的锌空电池产业集群已经初步形成,且年均增长率达到了17%。然而,全国规模以上的锌空电池行业企业尚未形成气候,市场尚未进入快速增长期。

对于传统锌空电池行业企业来说,要应对这些挑战并突破发展瓶颈,重塑市场地位,需要从多方面入手。首先,加强技术研发和创新,提高电池的品质和性能,以应对竞争对手的挑战。其次,注重品牌建设和市场推广,提高品牌知名度和美誉度,增强消费者的忠诚度和认可度。此外,加强与上下游企业的合作,共同应对市场变化和挑战,实现互利共赢。同时,还需要关注政策法规和市场动态,及时调整战略和业务布局,以适应市场的变化和需求。最后,注重人才培养和引进,建立完善的人才激励机制,为企业的发展提供有力的人才保障。通过这些措施的实施,传统锌空电池行业企业有望在激烈的市场竞争中立于不败之地。

锌空电池图片

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9.1 氧化钨在锌空电池中的应用

9.1.1 锌空电池催化剂用黄色氧化钨复合材料

9.1.2 锌空电池催化剂用紫色氧化钨复合材料

9.1.3 锌空电池催化剂用氧化钨的挑战

9.2 二硫化钨在锌空电池中的应用

锌空电池的正极活性物质是空气中的氧气,而负极活性物质是金属锌。在电池放电过程中,正极的氧气和负极的锌会反应生成氧化锌和水,同时释放出电能。但是,这个反应是缓慢的,会导致电池放电速率低下。为了加快这个反应速率,提高电池的放电性能,需要使用催化剂如二硫化钨(WS2)。

纳米二硫化钨是一种新型的催化剂,是一种具有可调带隙的半导体材料,其带隙宽度约为2.4eV,能够吸收可见光和紫外光,产生电子和空穴对,从而实现光催化反应。此外,二纳米硫化钨的吸收光谱范围广,能够吸收可见光甚至近红外光,进一步扩大了其在光催化领域的应用范围。

从结构上分析,二硫化钨具有优异的光学性质和可调控的表面性质。首先,纳米WS2是一种半导体材料,其晶体结构中存在大量的空穴和电子,这些空穴和电子可以与光子相互作用,产生电子-空穴对,从而实现对光子的吸收和利用。其次,纳米WS2的表面性质可以通过物理或化学方法进行调控。例如,通过热处理或氧化处理可以改变材料的晶粒大小和表面结构,从而影响其光学性质和催化活性。此外,还可以通过掺杂不同金属或离子来调控表面的化学特性,提高催化活性和选择性。

作为催化剂,纳米二硫化钨具有以下优势:(1)优异的光学性质:纳米WS2具有宽的带隙和优异的吸收光谱范围,可以吸收可见光和紫外光,产生大量的电子-空穴对,从而实现对光子的高效利用。(2)可调控的表面性质:纳米WS2的表面性质可以通过物理或化学方法进行调控,从而实现对催化活性和选择性的优化。(3)良好的稳定性:纳米WS2在高温、高压等极端条件下具有良好的稳定性,不易发生分解或失活等现象。(4)环保无毒:WS2是一种环保无毒的材料,不会对环境造成污染。

综上所述,纳米二硫化钨作为一种具有优异光学性质和可调控表面性质的半导体材料,在光催化领域具有广泛的应用前景。同时,由于其良好的稳定性和环保无毒的特点,纳米WS2有望成为未来绿色能源和环保技术领域的重要材料之一。

中钨在线纳米二硫化钨图片

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9.2.1 锌空电池催化剂用纳米二硫化钨

锌空电池是一种先进的化学电源,具有高能量密度、环保、可再生等优点。在锌空电池中,催化剂是实现高效能放电的关键组成部分。常见的锌空电池催化剂有贵金属催化剂,碳基催化剂和过渡金属化合物(如纳米二硫化钨)催化剂。

贵金属催化剂是最常用的锌空电池催化剂之一,主要包括铂(Pt)、钯(Pd)、金(Au)等。优点:贵金属催化剂具有优异的催化活性和稳定性,能够有效地提高锌空电池的放电性能。同时,贵金属催化剂的研究较为成熟,已经具备了较为完善的制备和表征方法。缺点:贵金属催化剂的成本较高,会大幅增加锌空电池的成本。此外,贵金属资源有限,不利于大规模应用。另外,贵金属催化剂在高温或高电流密度下可能会发生失活现象。

碳基催化剂是一种较为环保的催化剂,主要包括石墨烯、碳纳米管、活性炭等。优点:碳基催化剂具有成本低、易制备、稳定性好等优点。同时,碳基材料还具有较好的电导率和化学稳定性,能够有效地提高锌空电池的放电性能和寿命。此外,碳基材料还具有良好的生物相容性和环保性,有利于在医疗和环保等领域应用。缺点:碳基催化剂的催化活性相对较低,需要进一步优化和提高其催化性能。此外,碳基材料的制备过程中可能会产生一些有害物质,需要加强环保措施。

锌空电池图片

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过渡金属化合物催化剂是一种较为廉价的催化剂,主要包括锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)等过渡金属化合物。优点:过渡金属化合物催化剂具有较高的催化活性和稳定性,能够有效地促进氧气和锌的反应。同时,过渡金属化合物催化剂的成本相对较低,有利于大规模应用。此外,该催化剂还具有较好的耐高温性能和抗腐蚀性能。缺点:过渡金属化合物催化剂的制备成本较高,且催化活性受到温度和湿度的影响较大。此外,该催化剂的电导率较低,可能会影响电池的放电性能。

中钨在线纳米二硫化钨图片

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值得一提的是,纳米二硫化钨是一种典型的过渡金属化合物催化剂。首先,纳米WS2具有高效、稳定的催化性能。在锌空电池的反应过程中,纳米WS2能够有效地促进氧气的还原反应,从而加速电池的放电过程。同时,纳米WS2还能够提高电池的能量密度和寿命,进一步提高了电池的性能。

其次,纳米二硫化钨作为一种半导体材料,具有优异的光学性质和可调控的表面性质。在锌空电池中,纳米WS2能够吸收可见光和紫外光,产生电子和空穴对,从而实现光催化反应。此外,纳米WS2的表面性质可以通过物理或化学方法进行调控,从而实现对催化活性和选择性的优化。

此外,纳米二硫化钨还具有优异的稳定性和环保无毒的特点。在高温、高压等极端条件下,纳米WS2能够保持稳定的催化性能,不易发生分解或失活等现象。同时,纳米WS2是一种环保无毒的材料,不会对环境造成污染。

综上所述,纳米二硫化钨作为锌空电池的催化剂,具有高效、稳定、环保无毒等特点。在锌空电池中,纳米WS2能够有效地促进氧气的还原反应,提高电池的能量密度和寿命。同时,纳米WS2还能够实现光催化反应,进一步扩大了其在光催化领域的应用范围。

中钨在线纳米二硫化钨图片

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9.1.2 锌空电池催化剂用纳米二硫化钨的挑战

9.3 钨酸钴在锌空电池中的应用

9.3.1 锌空电池催化剂用钨酸钴复合材料

9.3.2 锌空电池催化剂用钨酸钴的挑战

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