動(dòng)力電池研發(fā)的關(guān)鍵性因素探索

　　2.2 理論分析

　　針對(duì)鋅空氣動(dòng)力電池，我們從理論分析的角度探討電池內(nèi)阻對(duì)放電的影響。我們知道氧氣在水里的擴(kuò)散系數(shù)是10－9 m2/s，而氧氣在空氣里的擴(kuò)散系數(shù)是10－6 m2/s。鑒于這兩個(gè)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(kuò)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(yīng)用的氣體擴(kuò)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(shè)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(dāng)氧氣擴(kuò)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(jì)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(jì)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(dāng)氧氣擴(kuò)散系數(shù)為10－6 m2/s 時(shí)，代入公式，得到JL=6033mA/cm2，當(dāng)氧氣擴(kuò)散系數(shù)為10－9 m2/s 時(shí)，代入公式，得到JL=0.6033 mA/cm2。

　　由該理論計(jì)算我們看出，氧氣擴(kuò)散效應(yīng)最理想狀態(tài)下，電極的電流密度數(shù)量級(jí)可達(dá)103mA/cm2，而氧氣嚴(yán)重供應(yīng)不足時(shí)，電極的電流密度數(shù)量級(jí)僅僅是10－1 mA/cm2。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)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(dá)1 個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可見(jiàn)，由氧氣的擴(kuò)散引起的電力不足，并不是主導(dǎo)的問(wèn)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(jié)論

　　動(dòng)力電池的發(fā)展經(jīng)歷了近十年來(lái)的快速進(jìn)程，科研人員經(jīng)過(guò)不斷地努力逐漸地克服了若干制約著動(dòng)力電池成熟的重要因素。

　　本文通過(guò)典型實(shí)驗(yàn)說(shuō)明相對(duì)于電極內(nèi)阻，電極傳質(zhì)造成的放電性能下降并非是主導(dǎo)因素。鑒于當(dāng)前動(dòng)力電池應(yīng)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(zhì)效應(yīng)應(yīng)該不是制約電極效能的決定性因素。由于電極引起的內(nèi)阻變化，在放電過(guò)程中，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)電池放電效果的區(qū)別，且實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是小尺寸電極，如果將電極以及電池相應(yīng)放大，實(shí)現(xiàn)其在動(dòng)力車設(shè)備上的應(yīng)用，那么這種由于內(nèi)阻變化產(chǎn)生的能量損失，會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生比較可觀的影響，相應(yīng)地需增加很多熱管理等等一系列的電池管理問(wèn)題，以及能量的耗費(fèi)問(wèn)題，這也正是動(dòng)力電池走入實(shí)用化階段前必須要解決的重要問(wèn)題，因此，在動(dòng)力電池的各項(xiàng)指標(biāo)的完善過(guò)程中，更多地關(guān)注內(nèi)阻因素，應(yīng)該是動(dòng)力電池發(fā)展地更加完善的重要方法。