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推荐镁空气电池精品
一、项目提出背景、意义和必要性
1、项目背景
军用电池是武器装备和电子信息装备的重要组成部分，它为武器装备和电子信息装备提供能量保障，既是基础又是核心，其性能好坏、质量优劣在很大程度上决定了武器装备和信息装备的性能水平与作战能力。
当前我国装备军队的发电系统基本为柴油发电机组，移动用电源多为汽油发电机组和各种电池。
这些电源虽然技术成熟、能满足功率要求，但在使用中有诸多的局限性，难以适应瞬息万变的高技术条件下的现代战争。
（1）内燃机发电系统
内燃机发电系统主要应用于固定电站和车载电源等地方。
采用这种系统能满足功率要求，但效率低（20%〜30%）,机组重量较大（从数百千克到数吨）、体积偏大（车载时占用了整车30%以上的空间）、机动性极差，而且噪声大、红外辐射强，容易成为敌方侦察系统锁定的攻击目标，与现代战争要求的可靠性与隐蔽性以及确保通信指挥的畅通有极大差距。
⑵一次性电池
长期以来，一次性军用电池是多种通信系统和武器系统的主要电源，主要为锌猛、锌汞、镁猛、锌银，以及锂一次性电池。
目前装备部队的技术上成熟的一次性电池主要是锌猛电池、碱性锌猛电池和镁猛电池。
锌猛电池容量小、性能差，但价格便宜，部队用得最早用量也很大；碱性锌猛电池容量大、重负荷性能好、贮存性能优异，但因成本高而装备不多；镁猛电池有很好的贮存性能、容量高，特别适合在高温高湿环境下使用。
以镁为负极的叠层镁猛干电池组在美国陆军已得到应用，我国也已将该种电池列入了军用镁电池标准（GJB885-90.GJB319A-97），但因电压滞后等问题尚未解决，制约了它的应用，镁干电池目前主要供军事通信和气象测候仪、海难救生设备和高空雷达仪等使用。
（3）二次性电池即充电电池（又称蓄电池）
二次性电池主要用于车船、卫星、载人飞船、航空、通信及小型电子设备。
二次性电池主要有铅酸电池和鎳镉电池，也有二次锂系列电池。
其特点是能反复充放电、电动势高、结构简单、使用温度范围大、累计容量大。
二次性电池不足之处在于：
铅酸电池体积大、比较笨重、防震性能差、自放电较强、容易爆炸；操镉电池初始成本髙、自放电速度快；二次锂系列电池价格髙、充电条件要求高、不安全。
⑷燃料电池
燃料电池有很多种，常用的电池按电解质分类可分为：
碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池以及固体氧化物燃料电池。
燃料电池作为一种新能源技术在推动国家经济发展和保障国家能源安全方面具有重要作用，各国政府都给予了髙度重视。
燃料电池近年来虽在集成度、可靠性与耐久性等方面取得了长足的进步，但要达到实用化还面临着很多的挑战，主要表现为：
1军用燃料电池的使用寿命及环境的适应性需要进一步提髙。
目前燃料电池的最髙使用寿命只有2200h,而要实现实用化其目标寿命应大于5000ho
2燃料电池的成本要大幅度降低。
一是要研究满足寿命与性能要求的廉价替代材料；二是改进关键部件的制备工艺；三是逐步建立批量生产线，通过批量生产进一步降低成本。
3军用燃料电池的氢气的制备和安全贮存及携带，仍是目前研究的主要问题。
现有的军用电池已不能满足实际需求。
本课题立足于国家资源优势和战略需求，开发一种新型军用高性能镁空气电池，属于国家重点支持的新能源技术领域，是关系到国家战略发展方向的关键技术。
镁空气电池又叫镁金属燃料电池，金属燃料电池是用金属燃料代替氢而形成的一种新概念的燃料电池，将锌、镁等金属像燃料氢一样提供到电池中的反应位置，它们与氧一起构成一个连续的电能产生装置，金属燃料电池具有低成本、无毒、无污染、放电电压平稳、髙比能量和高比功率等优点，又有丰富的资源，还能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，便于储存和携带，非常适合军事领域的应用需求。
本课题研制的镁空气电池作为一种环境友好的高性能电源，在可移动电子设备电源、自主式潜航器电源、海洋水下仪器电源、无人机载航电设备、野外通信电台和备用电源等方面，具有非常广阔的应用前景。
2、项目意义
通过解决一系列关键技术，包括析氢腐蚀小，钝化程度低的阳极材料制备技术，新型廉价、高效可靠的阴极材料制备技术，优化的结构设计封装技术，电解质溶液配方等，提髙镁合金阳极利用率至90%以上，即1.98Ah/g；制备廉价、高效、可靠的氧还原电催化剂和研究新型结构的阴极，解决5000小时以上长时间使用的催化活性失效等技术问题；优化电池的结构设计，提髙电池的能量密度（500Wh/kg）,将电池做得更小更轻。
本课题将实现一种满足军用条件的新型髙性能镁空气电池的关键制造技术突破，研发一系列具有完全自主知识产权的新型材料，新工艺、新配方。
3、必要性
现代战争对军用电池的性能，包括可靠性、环境的适应性，以及经济性要求越来越髙，军用新型高性能镁空气电池的大容量、高比能量，高安全性能特别适合用于军事指挥作战当中。
镁空气电池技术的不断成熟与进步，决定了镁空气电池在军事上的广阔应用前景。
镁空气电池将是现代军事装备应用电源发展的新方向，科技企业公司与军事应用部门一起努力，积极地参与和协作将会加快该项目的进程，提升我国的整体军事科学技术水平。
二、项目相关领域的国内外技术现状及趋势
1、国外相关领域技术现状
（1）自主式潜航器电源
镁一一过氧化氢燃料电池采用中性盐或海水电解质溶液，具有质量轻，环境友好，价格便宜等优点，能够作为低功率、长寿命的无人水下运行器的高能量电源。
挪威国防研究所、美国海底战事中心、加拿大的铝能源公司积极尝试将金属空气电池用于UUV（无缆水下艇）、DSRV（深海救援艇）以及AIP潜艇。
美国海底战事中心（NavalUnderseaWarfareCenter）与麻省大学（UniversityofMassachusettsDartmouth）以及BAESystems公司共同研制成功了用于自主式潜航器的镁一过氧化氢燃料电池系统（AutonomousUnderwatervehicles,AUVS）O该电池采用海水作电解质，镁合金作阳极材料，液态过氧化氢作阴极氧化剂，该电池提供了一个成本较低并且更为安全的髙能动力，是低速率长寿命的自主式潜航器的理想驱动电源。
⑵海洋水下仪器电源
20世纪90年代初Westinghouse公司研制出了海洋应用的圆柱型海水电解质镁一空气燃料电池。
1996年，挪威与意大利共同开发了镁燃料电池，并且应用于180米深的海底油井或气井探测的海洋水下自动控制系统。
该海水电池采用商业镁合金作阳极，海水作电解质，海水中溶解的氧为氧化剂，阴极用碳纤维制造。
这个电池系统为开放式结构由六个两米高的海水电池组成，放置在一个耐腐蚀和耐高压的不锈钢结构壳体中，能量达到650KWh,系统设计寿命为15天。
⑶备用电源
镁一空气燃料电池可作为医院、学校、军队备用电源、应急电源等，在备用时，可以干态长时间搁置，需要时，加入电解液即可使用。
目前，加拿大GreenVoltPower公司研制出100W和300W级的镁/盐水/空气燃料电池，能量密度是铅酸电池的20倍以上，可为电视、照明灯、便携电脑、手机及GPS等设备供电。
加拿大MagpowerSystems公司研制的盐水电解质镁/空气燃料电池，能连续提供300W的功率，成功应用于偏远地区水净化系统水泵的供电。
2、国内相关领域技术现状
国内在镁空气电池领域开展研究的单位主要有上海交通大学、南开大学新能源化学研究所等单位开展了电解质溶液和阴极材料的研究，而对阳极材料的研究很少。
亟需加强对新型高性能军用镁空气电池开展研究和应用。
3、发展趋势
⑴便携式（野战战场使用）镁空气电池供电电源。
高科技战争中,单兵装备是提高战场感知、通信、杀伤能力并在苛刻环境中可靠使用的战斗装备。
这些战斗装备包括先进无线电台、导航用全球定位装置、计算机、夜视设备、武器平视显示链路、数据终端设备和测距器等，它们都需要超轻型髙能电源。
用镁空气电池取代目前使用的多种便携式电池，能使单兵的技术保障装备进一步轻型化，可减轻单兵负荷,提高其机动性和生存力。
（2）移动式（星载、舰载和车载式）镁空气电池供电系统。
使用镁空气电池系统的军用车辆有着高效、低噪、低热排放的特点，提高军用车辆在战争中的隐蔽性和生存力。
目前，在水下装置方面，使用溶解在海水里的氧气作为反应物，使用镁合金阳极和催化膜负极，通过海水活化，实现为水下装置供电。
这种体系的主要优点在于，除了镁之外，所有的反应物都由海水提供，工作环境更友善，成本更低。
发展可负载的、持久性的镁空气燃料电池技术以满足无人水底交通工具（UUVs）的要求是未来发展的方向之一。
在舰艇的应用方面，主动力采用镁空气电池动力系统的潜艇，向海水辐射的热量相对较少，且基本不向舰外排放废物，红外特性和尾流特性完全弱化，加之运行安静，具有很好的隐蔽性。
镁空气电池也非常适用于具备很强的前线远距离侦察能力侦察器，特别是热信号低、无噪音、体积小的小型无人侦察机。
。
（3）固定式燃料电池发电系统。
在需要依靠直升飞机运送燃料的现代战场环境下，高效能的镁空气电池作为各军事基地、军械库、野战医院、计算机通信中心和战场指挥中心等军事机构的供电系统是很有价值的。
4、本项目研究具有以下优点
（1）比能量高，输出电压髙
金属镁的理论比能量髙达3910Wh/kg,是锂离子电池9倍，实际达到的比能量也达到了锂离子电池2倍多，铅酸蓄电池的10倍。
⑵可方便组装成大型电池阵列
采用循环电解液技术和空气管理系统，可方便地层叠组装成电池阵列，做成输出电压可达到300V,电流可达到200A大型电池堆，可以应用于电动车、水下潜航器、无人攻击机等需要较大能量输出的应用领域。
⑶无毒无污染，不产生有毒有害物质
镁燃料电池在中性电解液中的反应，反应物为金属镁、水和氧气，产物为氢氧化镁沉淀物，不反应物和产物都无毒无污染。
电解液一般采用中性食盐水，没有重金属以及强碱液等有毒腐蚀问题，不会对人体和环境造成伤害和污染。
（4）质量轻，携带方便
镁及镁合金的比重轻，采用镁金属燃料电池不仅能量髙，而且重量轻，非常适宜便携式电子产品、野外作业电源以及小型无人侦察机等使用。
⑸资源广泛，价格低廉
镁在地壳中的储量占2%,在所有金属中排名第六。
中国镁矿储量居世界首位，而且镁价格相对低廉，为发展镁金属燃料电池提供了坚实的原材料保障。
⑹存储寿命长
采用电解液分离系统的镁金属燃料电池可实现放电的自动控制，电池能够长期干式存放，大大提高了电池的使用寿命，可作为应急备用电源。
（7）可再生回收利用
镁金属燃料电池的电化学反应产物为氢氧化镁，只需经过简单的沉淀过滤即可实现回收，回收后的氢氧化镁经过焙烧还原，可重新制成镁锭循环利用。
整个过程是一个绿色的封闭循环，这是任何蓄电池都无法比拟的。
三、项目的主要研究内容、目标及具体指标
1.主要研究内容
⑴镁空气电池的镁合金阳极制造技术
制备阳极利用率髙的镁合金电极材料是镁空气电池的关键技术之一。
金属镁的理论比能量髙达3910Wh/kg,是锂离子电池9倍，实际达到的比能量也达到了锂离子电池2倍多，铅酸蓄电池的10倍。
但由于镁化学活性高，电极电势低，在大多数的电解质溶液中，镁的溶解速度较快，产生大量的氢气，导致阳极的法拉第效率降低。
同时，反应时产生较致密的Mg（OH）2钝化膜并附着在镁合金阳极表面，电极反应活性点少，阻止了电化学反应的进行，影响了镁阳极活性溶解,产生严重的电阻极化，电池工作电位低。
普通镁（纯度99.0%-99.9%）中由于有害杂质（硅、铁、铜等）存在，成为发生微观原电池腐蚀反应的驱动力，造成镁的自腐蚀速度加大。
为了克服金属镁的这些缺陷，可将镁和其它合金元素制成二元、三元乃至多元合金。
锌、铅、猛、铝、铢、锡和稀土元素作为合金添加元素，合金元素以固溶体和偏析相两种形式存在于镁合金基体中，固溶于基体中的元素可以很好的改善镁合金的性质，偏析相的存在是镁阳极的活化源点。
它一方面增大镁合金析氢反应的过电位和自腐蚀速度；另一方面可以破坏钝化膜的结构，使致密的钝化膜变成疏松多孔、易脱落的腐蚀产物，从而减轻镁合金钝化问题，促进电极活性溶解，提髙镁合金的电化学性能。
另外，可以通过合金熔炼，回火、退火、淬火以及热轧等工艺，细化镁合金晶粒，细化晶粒有利于阳极表面的均匀溶解，减少晶界腐蚀，避免晶粒的脱落，这样也可以降低镁合金的腐蚀和提高镁合金的阳极效率，提髙阳极镁合金的利用率。
通过多元合金化和合适的后处理工艺，制备开路电位高、析氢量低、成泥少、阳极利用率高（90%以上）镁合金阳极。
新型镁合金电极能够在电池寿命期内连续地活性溶解，开路电位高，并可较长时间连续稳定输出。
⑵镁金属空气电池空气阴极制备
空气阴极的组成和结构对镁空气电池的性能有重要的影响，特别是在需要大电流密度的应用领域，空气阴极的催化活性对整个电池性能有着关键的影响。
贵金属铠基催化剂用作空气阴极氧化还原电催化剂具有最佳的催化活性，但由于钳价格昂贵，限制了它的市场化与应用范围。
制备廉价、髙效的氧化还原电催化剂和研究新型结构的阴极制备技术是镁空气电池关键技术之一。
不仅要解决氧化还原庾应的催化活性问题，还需要解决氧电极长时间使用的防水防渗问题，以及5000小时以上长时间使用的催化活性失效等技术问题。
⑶镁金属空气电池电解液配方
选择合适的电解质溶液可以提髙电极的活性，防止电极的钝化和腐蚀。
镁金属空气电池电解液配方都含有电极反应活化剂和析氢反应抑制剂。
活化剂的机理是在电极表面形成活化源点，破坏镁腐蚀产物中坚实致密膜结构，促进腐蚀产物的脱落、活化镁负极、提高电池性能。
在电解液中添加氢抑制剂，用以降低过电势，减小自腐蚀速度、提高镁合金阳极利用率。
拟应用的氢抑制剂有锡酸盐、飢酸盐、氟化物、二硫代缩二尿和季铁盐等，或者几种成分构成的复合型抑制剂。
实验证实，对于AZ31镁合金阳极，釆用季铁盐和锡酸盐的复合抑制剂可使阳极效率达到90%以上，比未添加抑制剂时提髙13%,电池电压升髙5%。
但是针对镁空气电池的活化剂和抑制剂的普遍的作用机理尚不十分清楚，需要更进一步的研究。
（4）电池结构设计和电池自动控制系统
合理的电池结构设计可以提高电池的能量密度，将电池做得更小更轻。
其主要的技术包括电池阳极金属板快速更换设计，电解液循环系统设计，电解液除渣设计，电解液冷却加热系统设计，电解液流道设计，空气扩散管理设计以及自动控制系统等相关技术。
采用插卡式更换负极金属板设计需要保证能在较短的时间内更换金属电极，实现“快速机械充电”，还要保证电池极板长时间工作状态下良好的密封性能。
流道设计和电解液循环系统设计要保证电池堆中电池对间电解液流量均匀，电池对内流速稳定，没有死角，且不产生紊流。
空气扩散管理设计，要保证加快氧气的传输速度，提高电极反应区域的氧气的浓度，保证放电所需的氧气量，提高放电电压和放电容量，以减少正极的反应面积，使电池体积更小。
自动控制系统采用微处理器进行逻辑控制，实现电池工作状态自动调节，包含电池堆升温启动、冷却启动、工作时的温度、氢气、电压调整等，实现电池堆的自动故障检测。
2.项目研究目标和具体指标
（1）金属镁的理论比能量髙达3910Wh/kg,是锂离子电池9倍，实际达到的比能量达到了锂离子电池2倍多，铅酸蓄电池的10倍。
（2）通过多元合金化的方法以及晶粒细化等后处理工艺制备阳极材料，降低自腐蚀速度，减轻镁合金钝化，减小析氢的腐蚀，解决活化与钝化的矛盾；
（3）制备合适的电解质溶液，提髙电极的活性，防止电极的钝化和腐蚀。
使得镁合金阳极利用率达到90%以上；
（4）制备廉价、髙效、可靠的氧还原电催化剂和研究新型结构的阴极技术，解决5000小时以上长时间使用的催化活性失效等技术问题；
（5）优化电池的结构设计，提髙电池的能量密度至500Wh/kg以上，将电池做得更小更轻。
（6）电池电压
四、项目拟采取的技术路线
课题技术路线包括六大步：
第一步，总结课题国内外已取的研究成果，确定课题研究的总体规划和预期成果。
第二步，按照总体规划确定各阶段研究目标，拟攻克技术难点和创新点，年度进度安排，年度考核指标和课题组织分工。
第三步、增添所需的支撑条件和主要仪器设备，从理论和示范应用两方面展开研究工作。
第四步，完成镁空气电池的镁合金阳极制造技术开发，制备镁空气电池的空气阴极；探索实用的镁空气电池的电解液的配方；完成电池结构设计和电池自动控制系统的设计，第五步，邀请该领域知名专家完成同行评审，发表文章，申请专利，进一步提炼出切实可行的军用髙性能镁空气电池的系统开发方案，完成示范应用，制定行业标准。
第六步，准备项目结题。
五、项目年度任务安排
本项目研究期限3年，分为五个阶段进行，如下：
第一阶段：
调研阶段（3个月）
1）广泛阅读相关文献，课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利申请授权情况，行业标准情况和应用前景。
2）掌握与本课题有关的理论和技术，初步确定研究方向及各个部分的研究方案、研究目标和考核指标。
第二阶段：
支撑条件和主要仪器设备等实验环境搭建阶段（3个月）
第三阶段：
理论模型与关键技术研究阶段（14个月）
1）完成镁空气电池阳极材料合金元素成分，配比等关键参数确定；空气阴极材料，廉价高效的替代催化剂，阴极结构设计；电解质溶液配方；电池整体结构设计、封装等。
2）发表文章，提交专利。
第四阶段：
示范应用阶段（12个月）
1）完成军用髙性能镁空气电池各种材料的制备，组件的安装、调试等工作。
2）建立军用镁空气电池在军用装备上的示范系统。
第五阶段：
结题阶段（4个月）资料整理、研究成果总结和汇报。
6.项目的技术、经济效益分析
本项目所要研究的镁空气电池比能量髙（金属镁的理论比能量高达3910Wh/kg）,是锂离子电池9倍，实际达到的比能量也达到了锂离子电池2倍多，铅酸蓄电池的10倍，而且可方便组装成大型电池阵列，采用循环电解液技术和空气管理系统，可方便地层叠组装成电池阵列，做成输出电压可达到300V,电流可达到200A大型电池堆，可以应用于电动车、水下潜航器、无人攻击机等需要较大能量输出的应用领域。
镁空气电池所需的原材料无毒无污染，不产生有毒有害物质，不会对环境造成污染和破坏。
镁金属空气电池质量轻而其能量高，携带方便，非常适宜便携式电子产品、野外作业电源以及小型无人侦察机等使用。
中国镁矿储量居世界首位，而且镁价格相对低廉，为发展镁空气电池提供了坚实的原材料保障。
镁空气电池能够长期干式存放,大大提髙了电池的使用寿命，可作为应急备用电源。
镁空气电池的电化学反应产物为氢氧化镁，只需经过简单的沉淀过滤即可实现回收，回收后的氢氧化镁经过焙烧还原，可重新制成镁锭循环利用。
综合以上分析，镁空气电池是一种能量高、质量轻、易组装、安全、无污染、使用成本低廉的新型高性能燃料电池，在军事通信、军用动力装置领域和民用相关领域具有广阔的应用前景。
七.项目的经费需求及来源
序号
预算科目名称
合计
专项经费
自筹经费
（1）
（2）
（3）
（4）
1
一、经费支出
3000.00
2000.00
1000.0
2
1、设备费
2350.00
3
（1）购置设备费
1500
600
900
4
（2）试制设备费
600
300
300
5
（3）设备改造与租赁费
250
150
6
2、材料费
300
200
7
3、测试化验加工费
150
100
8
4、燃料动力费
50
30
2
9
5、差旅费
40
20
2
10
6、会议费
30
20
1
11
7、国际合作与交流费
20
10
1
12
8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费
13
9、劳务费
30
20
1
14
10、专家咨询费
20
10
1
15
11.管理费
10
5
5
16
12、
17
13、
3000
18
二、经费来源
19
1、申请从专项经费获得的资助
2000
20
2、自筹经费来源
21
<1）其他财政拨款
22
（2）单位自有货币资金
1000
23
（3）其他资金
注：
金额单位：
万元
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