动力电池研发的关键性因素探索

　　2.2 理论分析

　　针对锌空气动力电池，我们从理论分析的角度探讨电池内阻对放电的影响。我们知道氧气在水里的扩散系数是10－9 m2/s，而氧气在空气里的扩散系数是10－6 m2/s。鉴于这两个已知参数，我们考虑两种极限情况，在锌空气电池体系下，我们考虑氧气的扩散系数为10－6 m2/s 和10－9 m2/s 两种临界状态。图3 是典型的水平式应用的气体扩散电极模型，即电极一面朝向空气，一面朝向锌膏（含电解液），电极厚度为0.6 mm。我们假设电极的空气面全是氧气，摩尔浓度为CO2，而电极的液面氧气浓度为C'O2。当氧气扩散系数为极限值10－6 m2/s 和10－9 m2/s，考察其极限电流密度值的变化。计算极限电流密度的公式如式（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 电子）。

　　CO2是空气中氧气的摩尔浓度，计算方法是：

　　1.429（密度）×1000×0.21（体积百分比）/32×（分子量）=9.3778125 mol/L。

　　当氧气扩散系数为10－6 m2/s 时，代入公式，得到JL=6033mA/cm2，当氧气扩散系数为10－9 m2/s 时，代入公式，得到JL=0.6033 mA/cm2。

　　由该理论计算我们看出，氧气扩散效应最理想状态下，电极的电流密度数量级可达103mA/cm2，而氧气严重供应不足时，电极的电流密度数量级仅仅是10－1 mA/cm2。在实际的实验中我们通常得到的电流密度值介于100～200 mA/cm2 之间，与理想值差距达1 个数量级，由此可见，由氧气的扩散引起的电力不足，并不是主导的问题，而且，也可以看到，提高电池电流密度的空间还是很大的。

　　3 结论

　　动力电池的发展经历了近十年来的快速进程，科研人员经过不断地努力逐渐地克服了若干制约着动力电池成熟的重要因素。

　　本文通过典型实验说明相对于电极内阻，电极传质造成的放电性能下降并非是主导因素。鉴于当前动力电池应用的电极，其放电电流密度通常介于100～200 mA/cm2，甚至高于200mA/cm2，在这样的电流密度值水平下，电极的传质效应应该不是制约电极效能的决定性因素。由于电极引起的内阻变化，在放电过程中，能够明显地发现电池放电效果的区别，且实验中，我们采用的是小尺寸电极，如果将电极以及电池相应放大，实现其在动力车设备上的应用，那么这种由于内阻变化产生的能量损失，会对电池系统产生比较可观的影响，相应地需增加很多热管理等等一系列的电池管理问题，以及能量的耗费问题，这也正是动力电池走入实用化阶段前必须要解决的重要问题，因此，在动力电池的各项指标的完善过程中，更多地关注内阻因素，应该是动力电池发展地更加完善的重要方法。