動力電池研發(fā)的關鍵性因素探索

　　2.2 理論分析

　　針對鋅空氣動力電池，我們從理論分析的角度探討電池內阻對放電的影響。我們知道氧氣在水里的擴散系數(shù)是10－9 m2/s，而氧氣在空氣里的擴散系數(shù)是10－6 m2/s。鑒于這兩個已知參數(shù)，我們考慮兩種極限情況，在鋅空氣電池體系下，我們考慮氧氣的擴散系數(shù)為10－6 m2/s 和10－9 m2/s 兩種臨界狀態(tài)。圖3 是典型的水平式應用的氣體擴散電極模型，即電極一面朝向空氣，一面朝向鋅膏（含電解液），電極厚度為0.6 mm。我們假設電極的空氣面全是氧氣，摩爾濃度為CO2，而電極的液面氧氣濃度為C'O2。當氧氣擴散系數(shù)為極限值10－6 m2/s 和10－9 m2/s，考察其極限電流密度值的變化。計算極限電流密度的公式如式（1）。

　　式中：C'O2=9.378 mol/L；d =0.6 mm；D =10 －6～10－9 m2/s；F =96500 C/mol；n=4（1 mol O2 消耗4 mol 電子）。

　　CO2是空氣中氧氣的摩爾濃度，計算方法是：

　　1.429（密度）×1000×0.21（體積百分比）/32×（分子量）=9.3778125 mol/L。

　　當氧氣擴散系數(shù)為10－6 m2/s 時，代入公式，得到JL=6033mA/cm2，當氧氣擴散系數(shù)為10－9 m2/s 時，代入公式，得到JL=0.6033 mA/cm2。

　　由該理論計算我們看出，氧氣擴散效應最理想狀態(tài)下，電極的電流密度數(shù)量級可達103mA/cm2，而氧氣嚴重供應不足時，電極的電流密度數(shù)量級僅僅是10－1 mA/cm2。在實際的實驗中我們通常得到的電流密度值介于100～200 mA/cm2 之間，與理想值差距達1 個數(shù)量級，由此可見，由氧氣的擴散引起的電力不足，并不是主導的問題，而且，也可以看到，提高電池電流密度的空間還是很大的。

　　3 結論

　　動力電池的發(fā)展經歷了近十年來的快速進程，科研人員經過不斷地努力逐漸地克服了若干制約著動力電池成熟的重要因素。

　　本文通過典型實驗說明相對于電極內阻，電極傳質造成的放電性能下降并非是主導因素。鑒于當前動力電池應用的電極，其放電電流密度通常介于100～200 mA/cm2，甚至高于200mA/cm2，在這樣的電流密度值水平下，電極的傳質效應應該不是制約電極效能的決定性因素。由于電極引起的內阻變化，在放電過程中，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)電池放電效果的區(qū)別，且實驗中，我們采用的是小尺寸電極，如果將電極以及電池相應放大，實現(xiàn)其在動力車設備上的應用，那么這種由于內阻變化產生的能量損失，會對電池系統(tǒng)產生比較可觀的影響，相應地需增加很多熱管理等等一系列的電池管理問題，以及能量的耗費問題，這也正是動力電池走入實用化階段前必須要解決的重要問題，因此，在動力電池的各項指標的完善過程中，更多地關注內阻因素，應該是動力電池發(fā)展地更加完善的重要方法。