铝空气电池的设计

第51卷㊀第5期2021年㊀㊀10月电㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLYVol.51,No.5Oct.,2021作者简介:张思雨(1996-),女,山西人,北京化工大学机电工程学院硕士生,研究方向:铝空气电池废电解液的处理;周俊波(1960-),男,河北人,北京化工大学机电工程学院教授,研究方向:废水废气处理;陈良超(1989-),男,河南人,北京化工大学信息科学与工程学院博士后,博士,研究方向:工业大数据,通信作者;郭㊀睿(1989-),男,河北人,北京天玮立新能源科技有限公司副总经理,研究方向:铝空气电池研发及应用㊂㊀㊀DOI:10.19535/j.1001-1579.2021.05.023铝空气电池研究和应用趋势综述张思雨1,周俊波1,陈良超2∗,郭㊀睿3(1.北京化工大学机电工程学院,北京㊀100029;㊀2.北京化工大学信息科学与技术学院,北京㊀100029;㊀ 3.北京天玮立新能源科技有限公司,北京㊀100022)摘要:对铝空气电池的技术研究情况及应用进行总结㊂总结典型铝空气电池结构原理和特点,梳理阴极㊁阳极和电解液等3个方面的研究进展㊂聚焦于铝空气电池的应用研究,重点阐述在水下电源㊁电动汽车㊁供电站和通信基站等领域的应用现状及优势㊂分析总结铝空气电池未能实现大规模应用的原因为关键性技术未突破和铝用电成本高;展望铝空气电池在车载移动充电桩和充电宝领域应用的趋势,提出浆液回收制备增值产品以形成循环产业链的模式㊂关键词:铝空气电池;㊀阴极;㊀阳极;㊀电解质;㊀应用研究;㊀废液回收中图分类号:TM911.41㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1579(2021)05-0526-04Review on research and application trends of aluminum-air batteryZHANG Si-yu 1,ZHOU Jun-bo 1,CHEN Liang-chao 2∗,GUO Rui 3(1.College of Mechanical and Electrical Engineering ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China ;2.College of Information Science and Technology ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China ;3.Beijing Tianweili New Energy Technology Co .,Ltd .,Beijing 100022,China )Abstract :The technology research and application of aluminum-air battery were summarized.By summarizing the structureprinciple and characteristics of typical aluminum-air battery,the latest research progress in anode,cathode and electrolyte was sorted out.The application research of aluminum-air battery was focused,its application status and advantages in underwater power supply,electric vehicle,power supply station and communication base station were expounded.The technical and commercial reasons for its failure to achieve large-scale application were the lack of breakthroughs in key technologies and the high cost of aluminum electricitywere analyzed and summarized,the trend of application of aluminum-air battery in vehicle mobile charging pile and power bank wasprospected,a mode of slurry recovery and produce of value-added products to form a circular industrial chain were proposed.Key words :aluminum-air battery;㊀cathode;㊀anode;㊀electrolyte;㊀applied research;㊀waste liquid recovery㊀㊀铝空气电池主要由铝阳极㊁电解液和空气电极等3部分构成,在运行过程中不产生有毒有害物质,且铝资源丰富㊂此外,铝空气电池还具有比能量高㊁质量轻㊁噪音低㊁适应性强和性能稳定等优点,但也存在比功率较低,易引起电压滞后,不能反复充放电等不足[1]㊂当前科研人员在铝空气电池的性能和结构方面已经取得了一定的研究成果,提高了铝空气电池的性能[2]㊂为实现铝空气电池的商业化,需要探索新的模式,将铝空气电池的研发与应用相结合,突破用电成本因素的局限㊂本文作者总结了典型铝空气电池的结构原理和特点,综述铝空气电池在铝阳极㊁空气电极和电解液等3个方面的研究进展,阐述其在水下电源㊁电动汽车㊁供电站和通信基站等领域的应用现状及优势,对铝空气电池未能实现产业化应用的技术和商业原因进行分析,展望铝空气电池在车载移动充电桩和充电宝领域的应用趋势,提出浆液回收制备增值产品新模式,为实现市场化应用提供思路㊂㊀第5期㊀张思雨,等:铝空气电池研究和应用趋势综述1㊀铝空气电池的研究现状1.1㊀阳极材料的研究纯铝在水性电解液中用作阳极时,会迅速腐蚀并发生剧烈的反应,生成氢气[3]㊂为了克服纯铝的局限性,提高阳极的电化学效率,可以在负极中加入其他金属元素,改善其电化学性能㊂合金元素种类及在电池中所起的作用列于表1㊂另一种提高铝空气电池性能的技术手段是热处理㊂该工艺通过对电池铝合金进行加工,改变微观组织结构,改善铝合金的电化学性能[7]㊂有研究发现,46Cu-25Ni-19Fe-10 Al-La合金采用热处理工艺,在900ħ下热处理24h,然后进行水淬处理,再进行均匀化处理,20A电解还原铝,杂质含量低于0.8%,可降低合金阳极的腐蚀反应[8]㊂表1㊀铝阳极合金化添加元素的作用Table1㊀Functions of added elements in aluminum anode alloying 元素种类作用Sn㊁Ga㊁Mg㊁Pb㊁Bi㊁Zn㊁Hg㊁In破坏铝合金阳极致密的钝化膜[4-5] Sn㊁Mn㊁In缓解铝板自身杂质引起的腐蚀Zn㊁Mg㊁Ce改善阳极组织结构[6]金属氧化物抑制其他合金元素在Al基体中的沉积和自腐蚀1.2㊀空气电极的研究铝空气电池的空气电极需要考虑氧化反应缓慢㊁空气电极注水㊁碳酸盐沉淀和电解液干燥等问题,其中氧还原反应的缓慢效率是铝空气电池应用的主要障碍之一[9]㊂探索合适的电催化剂是提高反应效率㊁降低过电位的关键㊂当前空气电极常用的催化剂及特点和研究成果见表2㊂表2㊀常用催化剂的特点和研究成果㊀Table2㊀Characteristics of common catalysts and research achievements 催化剂名称特点研究成果贵金属及合金催化活性高且性能稳定,资源短缺难获取,价格较高,应用领域受限常用的是Pt㊁Pd㊁Au和Ag[10]㊂Pt金属合金的催化活性远高于纯Pt纳米粒子,可归因于压应变和电子配体效应[11],可利用合金的组成㊁尺寸和结构优化催化活性[12]碳基催化剂成本相对较低,可以多种结构形式存在采用等离子体处理和氮掺杂两种方法的制备双功能氮掺杂石墨烯和Co9S8/石墨烯催化剂,性能与工业Pt/C催化剂相当[13];Co-N/CNs-800催化剂可提高氧还原反应效率,改善析氢腐蚀,且催化效率高,寿命长[14]钙钛矿型氧化物贵金属低成本替代物使用LaMnO3和LaNiO3组成的复合电极,在碱性电解液中的双功能活性较好,两者结合具有良好的协同作用[15];将SiO2模板合成的3D多孔钙钛矿,具有良好的化学性能[16]过渡金属氧化物原料丰富㊁成本低廉㊁环境友好,应用广泛用Ar等离子体方法研制的MnO2催化剂,氧空位和边缘丰富,制备的铝空气电池电化学性能良好[17];Co3O4纳米片/石墨烯复合电催化剂在碱性介质中的活性和稳定性优于现有的Pt/C催化剂[18]1.3㊀电解液的研究铝空气电池的中性盐溶液一般以NaCl作为电解质㊂这种溶液可抑制阳极的腐蚀反应,但存在导电性差㊁电压滞后的缺点,容易在电极表面生成氢氧化铝[Al(OH)3]胶体,降低输出功率,因此适用于低功率放电装置;碱性溶液与之相反,可增大铝空气电池的电导率,但会加剧阳极的析氢反应㊂近年来,混合型电解质的研发也取得了进展㊂S.A.Wu等[19]研发的碱性铝空气电池使用低成本混合型高浓度醋酸钾氢氧化钾电解质(HCPA-KOH),可抑制阳极的自腐蚀㊂铝空气电池电解液的研究重点在于添加缓蚀剂,目的是提高氧还原反应速率,改善电化学性能㊂铝空气电池的添加剂主要分为有机㊁无机和复合缓蚀剂3种㊂无机添加剂中的锡酸钠㊁In3+㊁K2MnO4㊁Zn2+和卤素离子等效果良好[20]㊂有机添加剂中,表面活性剂㊁植物提取物㊁酚类和醇等,可以提高电导率[21],如将壬基酚-9添加到4.0mol/L NaOH溶液中,可延缓铝空气电池的氢气析出和铝腐蚀速率[22]㊂碱性电解液中的羧甲基纤维素和氧化锌,有助于提高铝空气电池中AA5052铝合金的放电性能[23];由有机和无机添加剂组合而成的复合缓蚀剂,具有协同作用[24]㊂2㊀铝空气电池的应用现状和瓶颈2.1㊀铝空气电池的应用现状随着技术的发展,铝空气电池的应用领域逐渐扩大,并已在一些设施中得到应用,人们开始探索更好的应用领域和应用模式㊂铝空气电池的应用现状及趋势见图1㊂图1㊀铝空气电池应用现状及趋势Fig.1㊀Application status and trend of aluminum-air battery目前,铝空气电池已在水下电源㊁电动汽车㊁供电站和通信基站等领域得到了应用,应用实例及优点列于表3㊂2.2㊀铝空气电池应用发展瓶颈铝空气电池未能产业化的主要原因有:①还存在一些关键性技术难题未攻克㊂铝阳极在电解质中发生析氢反应,会加速铝的溶解,同时,在阳极和阴极积聚的Al2O3和Al(OH)3等副产物会阻止铝产生能量,使电导率降低,引起电压滞后㊂研究时,存在既要考虑减少铝阳极的腐蚀现象,又不能降低铝电子转移效率的难点[30]㊂725电㊀㊀㊀㊀池BATTERY㊀BIMONTHLY㊀第51卷表3㊀铝空气电池的应用领域及应用优势㊀Table3㊀Application fields and advantages of aluminum-air battery 应用领域应用设施应用实例应用优势水下电源舰艇㊁水下自主巡航器㊁监视器㊁远距鱼雷㊁潜水设施等挪威海军研制了以铝空气电池为动力的水下自主巡航器[25];Altek公司开展了以铝空气电池作为动力的不依赖空气动力推进装置(AIP)潜艇试验[26]以海水为电解质,不会造成海水污染;增加一次性水下航行里程电动汽车铝空气电池纯电动汽车㊁冷链物流车X.Zhang等[27]研发了用于纯电动汽车的铝空气电池,最大功率75kW,质量489kg,一次可以行驶1600km;云南创能斐源金属燃料电池有限公司将铝空气电池应用于冷链物流车[28]质量轻,减少车身质量,减少消耗,经济环保;可通过更换铝电极,快速进行机械充电供电站㊁通信基站小型铝空气电站㊁通信基站备用电源云南创能斐源公司将铝空气电池备用电源与原有的电池组共同构成基站备用电源系统[28];烯铝公司开发出3kW功率输出的铝燃料电源系统,可应用于通信基站领域[29]与传统通信基站用电池相比,体积小㊁质量轻㊁使用寿命长;噪音小,不扰民㊀㊀②用电成本较高㊂铝阳极通常用高纯铝或添加合金元素的高纯铝,而99.9%的精炼铝需要通过铝土矿制成氧化铝,再由电解氧化铝制备,成本为2.33美元/kg[31],有研究表明,1kg铝可发电4kW㊃h[32],因此铝空气电池发电成本中,仅铝的成本就达0.5825美元/kW㊃h㊂与我国2018年用电成本0.78元/kW㊃h相比,铝空气电池用电成本高,推广困难㊂3㊀铝空气电池应用发展的趋势近年来,为使铝空气电池在市场上广泛投入使用,科研人员一方面关注研究该电池的应用方向,以加快投入市场的进程;另一方面,开始探索反应浆液的回收利用,通过制备成高附加值产品,提高废电解液利用率,使铝电及后端产品形成循环产业,获得利润,从而实现商业化㊂3.1㊀车载移动充电桩和充电宝由于新能源电动汽车的普及和使用量日益增多,传统的固定式充电桩满足不了电动汽车日常的充电需求,移动充电装置因具有可移动的便捷性以及充电速度快的高效性,已在部分地区得到应用[33]㊂目前,市面上的移动充电装置主要是锂离子电池,存在安全性低㊁成本高和质量大等缺点㊂将铝空气电池应用于移动车载充电桩,有以下效果:①铝空气电池质量轻㊁安全性高;②不依赖电网,可缓解电网高峰期的用电压力;③将充电桩安装在车内,可增加电动汽车续驶里程,且充电便捷㊂由此可见,铝空气电池在移动车载充电桩领域,具有很好的应用前景㊂铝空气电池因具有安全性高和便携等特点,可应用到充电宝领域㊂当前充电宝使用的电芯主要有聚合物锂离子电池和18650型电池两种㊂云南冶金集团研制的铝空气充电宝,具有质量轻㊁寿命长和安全性高等优点,而且不需要给充电宝充电,当电量用尽之后,可通过更换电解液或铝板来恢复充电能力,有望成为铝空气电池应用的一个方向[34]㊂3.2㊀浆液回收增值模式铝空气电池在停止工作后,形成的废弃电解液中含有大量NaAlO2和Al(OH)3㊂可将废电解液进行回收,再造金属铝,或回收电解液制备高附加值超细氧化铝粉㊁精密抛光粉等产品,实现能量及原料的闭路循环,降低用电成本,以推动铝空气电池商业化,形成 铝-电-材 的完整产业链㊂当前,已有研究者通过提纯废电解液中的物质,回收制成超细氢氧化铝㊁高纯氧化铝等高附加值产品,提高资源利用率㊂施辉献等[35]以铝空气电池的反应浆液为原料生产超细氢氧化铝,产品的粒径分布范围窄,阻燃性能优良,达到ATH-1一等品的要求㊂施辉献等[36]采用晶种控制沉淀法,以铝空气电池发电产物的主要成分铝酸钠为原料制备高纯氧化铝,产品的纯度在99.99%以上,证明了反应浆液制备增值产品的可行性㊂非常新能源科技有限公司利用电化学方法,将废电解液制成了高附加值的纳米级氧化铝[37]㊂虽然冶炼精炼铝耗能高,造成铝用电成本高,但用于铝空气电池进行发电,再将得到的反应浆液回收,可制备增值产品㊂采用循环增值模式,可平衡前端铝的高用电成本,是推动铝空气电池商业化发展的一种可行模式㊂4㊀结论铝空气电池作为一种清洁电池,具有比能量高㊁适应性强㊁安全性高㊁质量轻等优点㊂由于纯铝易发生腐蚀和钝化,导致铝空气电池的电化学效率不高,为此科研人员通过研究阳极材料合金化和热处理工艺㊁空气电极催化剂㊁电解液中添加缓蚀剂,提高了铝空气电池的电化学性能,并且已在水下电源㊁备用电源等领域得到应用㊂车载移动充电桩和充电宝等领域,成为铝空气电池应用的趋势,具有广阔的应用前景㊂铝空气电池未能实现规模化的商品应用,除了存在一些技术难题和用电成本高外,还因为存在后端精细化工处理问题㊂对浆液回收模式的不断研究和深入,将促进铝空气电池浆液回收利用产业逐渐成熟,有望降低用电成本,从而带动铝空气电池的发展,逐步实现产业化应用㊂参考文献:[1]㊀沈虹宁,方奕栋,胡天恩,等.低温下电解液浓度对铝-空气电池的影响[J].电池,2019,49(6):470-472.[2]㊀柯浪,胡广来,田程,等.大功率铝-空气电池系统结构设计[J].电池,2018,48(4):253-256.[3]㊀LAMECHE-DJEGHABA S,BENCHETTARA A,KELLOU F,et al.Electrochemical behaviour of pure aluminium and Al-5%Zn alloy in 3%NaCl solution[J].Arab J Sci Eng,2014,39(1):113-122.[4]㊀SRINIVAS M,ADAPAKA S K,NEELAKANTAN 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金属空气电池的研究与应用金属空气电池是一种新型的电池，其原理是将金属与空气中的氧气反应产生电能。

与传统电池相比，金属空气电池具有容量大、储存时间长、价格便宜等优点，被广泛应用于电力、交通、通讯等领域。

一、金属空气电池的工作原理金属空气电池的工作原理是利用金属与空气中的氧气反应产生电能。

金属空气电池一般采用锌、铝、镁等金属作为阳极，正极则由氧气充当。

当电池工作时，金属与氧化物反应，产生电子和离子，这些电子和离子在电解质中传递，使均衡得以维持。

二、金属空气电池的优点1. 容量大：金属空气电池的容量大，一般为普通锂电池容量的几倍甚至更多。

2. 储存时间长：金属空气电池具有较长的储存时间，在未使用的情况下，可以长期保存电量。

3. 价格便宜：与传统电池相比，金属空气电池的价格较低，成本也更为经济。

4. 环保节能：金属空气电池的采用过程中不会产生有害物质，对环境的影响较小，同时还可以减少使用化石能源，达到节能减排的目的。

三、金属空气电池的应用1. 电力金属空气电池在电力领域的应用非常广泛。

其容量大、寿命长的特点使得其在电力储备方面具有优越性。

此外，随着能源危机的加剧，金属空气电池的绿色环保与经济性也得到了越来越广泛的关注。

2. 交通金属空气电池也广泛应用于交通领域。

例如，美国空军已经开始使用金属空气电池来为无人机提供能源。

此外，汽车、轮船、飞机等交通工具也可以通过金属空气电池实现绿色环保的能源转化。

3. 通讯金属空气电池也应用于通讯领域，例如手机、电脑等各种电子设备。

由于其容量大、储存时间长，金属空气电池可以为这些设备提供更为可靠的电源。

四、金属空气电池的未来随着科技的不断发展，金属空气电池的应用将会越来越广泛，未来甚至可能替代锂电池成为普及的电池类型之一。

在保证环保的同时，金属空气电池也将会成为未来能源领域的一个重要研究方向。

总之，金属空气电池具有容量大、储存时间长、价格便宜的优势，未来的应用前景广阔。

随着科技的不断进步，金属空气电池的研究与应用将会不断推进。

铝空气电池低温放电
铝空气电池是一种新型的锂电池，它的电极材料是铝，电解液是空气中的氧气。

它的工作原理是通过氧化铝的反应来释放能量。

铝空气电池在低温下放电时可能会出现以下问题：
1. 电流输出减弱：低温会使电池内部化学反应速率降低，导致电流输出减弱。

这可能会导致设备无法正常运行或无法提供足够的能量。

2. 电池寿命减少：低温下，电池内部的反应速率会减慢，导致电池容量逐渐减少。

这会缩短电池的使用寿命，需要更频繁地更换电池。

3. 冻结问题：低温下，电池内的电解液可能会冻结，导致电池无法正常工作。

这需要特殊设计以避免冻结问题，如添加抗冻剂或采用特殊材料。

为了解决这些问题，可以采取以下措施：
1. 优化电池设计：设计电池结构和材料，以便在低温下提供更好的性能。

例如，对电池电解液进行改良，增加其适应低温的能力。

2. 加热系统：在低温环境下，可以通过加热系统来提高电池的工作温度，以增加电池的性能和输出能力。

3. 抗冻剂：添加特殊的抗冻剂来防止电池电解液在低温下冻结。

总之，铝空气电池在低温下放电时可能会遇到性能下降和冻结等问题，但通过优化设计和采取适当的措施，可以改善铝空气电池在低温环境下的性能。

基于泡沫镍空气极的铝空电池若干问题的探究摘要本论文以铝空气电池为研究对象，考察了以泡沫镍为基础的空气电极对铝空气电池性能的影响。

首先，采用以CVD方法生长了石墨烯的泡沫镍为空气电极并探究其性能，其次，又利用水热法在空气极上生长了氧化锰纳米片，观察其放电过程从而探究活性物质对空气电极的影响。

考虑到便携性，我们采用固态电解质对电池进行了封装，并对全电池进行了性能测试。

实验采用测试电池的开路电位，恒电流放电以及持续放电时间来考察空气电池的性能。

实验结果表明，生长了石墨烯或氧化锰的空气极与单纯的泡沫镍空气极相比，其放电电流密度，开路电位及放电稳定性均有明显提高。

活性物质的负载使得电池可以在较大电流密度下稳定放电，空气极开路电位也得到了一定提高。

其中，直接生长氧化锰的空气极开路电位最高，达到 1.35 V。

根据实验数据，我们总结了铝空电池的若干问题并提出若干想法，为进一步研究铝空气电池的性能奠定了基础。

关键字：电池；铝空气电池；泡沫镍；石墨烯；氧化锰；固态电解质第一章绪论1.1论文选题与物联网现在移动客户端的发展可谓日新月异，众多移动端共享信息，针对各种信息进行过滤处理可以开发出满足用户不同需要的应用。

在这种概念下，客户端互联构成了多心的网状结构。

随着这种结构的发展，人们趋于将更多的实际物体也容纳进来，以方便进行更高效率的配置，即所谓的物联网。

然而无论何种配置方式，最终的交互过程都是：信息获取→信息分析→发出指令。

容纳的物体越多，信息就会越完善，配置效率相对就越高。

这在信息获取端就意味着需要更多的设备来完成信息采集。

现代电子设备完成信息采集的器件是各种各样的传感器。

传统的传感器件多为非智能传感器件，即一个或若干个传感器直接输出。

而将来在物联网的传感器网中，必将以大量传感器获取信息，然后通过分析处理输出，比如在智能家居互联网中家庭成员的定位，可以将地板抽象成一个平面，上面布满压力传感器，这样所有的传感器参数构成一个矩阵，通过对矩阵元的分析可以得到信息，比如对矩阵参数的有无可以获得人的位置，根据矩阵参数的大小获取体重进行辅助身份识别。

铝空气燃料电池的电极反应式负极解释说明以及概述1. 引言1.1 概述本文旨在对铝空气燃料电池的电极反应式负极进行解释说明和概述。

我们将介绍铝空气燃料电池的基本原理、应用领域以及其特点和优势。

重点关注负极部分，包括负极的概念和功能，构成材料的分析以及负极反应机理的解释。

1.2 文章结构本文共分为5个主要部分：引言、铝空气燃料电池简介、电极反应式负极介绍、电极反应式负极性能评价与调控方法以及结论与展望。

每个部分都有特定的内容和目标，以全面而系统地介绍铝空气燃料电池的相关知识。

1.3 目的通过撰写此篇长文，我们旨在深入探讨铝空气燃料电池中关键组件之一——电极反应式负极。

通过对其概念、功能、构成材料和反应机理等方面进行详细阐述，可以增加人们对于该领域的了解，并为今后进一步研究、改进和开发铝空气燃料电池提供理论指导和技术支持。

同样，通过评价和调控方法的介绍，我们希望能够解决一些常见的性能问题，并为负极性能的提升提供有效途径。

以上就是“1. 引言”部分的详细内容介绍，请根据需要进一步扩展、编辑和修改以完成你所需的长文撰写。

2. 铝空气燃料电池简介2.1 工作原理铝空气燃料电池是一种将铝与空气中的氧气反应产生电能的装置。

其工作原理基于铝在碱性电解质溶液中被氧化，产生铝离子，并通过负极导体和阳极催化剂之间的反应来释放电子。

同时，来自外部空气中的氧分子被还原并与铝反应，生成水和氢氧根离子。

这些反应共同产生了持续不断的电能。

2.2 应用领域铝空气燃料电池具有广泛的应用潜力。

目前，主要应用领域包括：- 便携式设备: 铝空气燃料电池可以提供高能量密度和长时间使用的特点，适用于为移动电话、笔记本电脑等便携设备提供可靠的持久电源。

- 交通运输: 由于其高效能、环保和可持续能源特性，铝空气燃料电池成为了汽车、飞机以及其他交通工具中替代传统化石燃料的重要候选能源。

- 储能系统: 铝空气燃料电池可以作为储能领域的一种解决方案，用于存储大规模电力以应对能源需求的波动。

一、STEM教育STEM是科学、工程、技术、数学四门学科的简称。

STEM起源于美国上个世纪90年代，有感于科学教育与工程技术的脱节和培养创新性人才的迫切需要，为提高科技教育的质量，提升国家竞争力，美国提出了STEM教育，以培养具有STEM素养的人才。

STEM教育并不是将这些元学科的知识进行简单叠加，而是将原本分散的四门学科内容自然组合以形成整体，形成结构化的课程［1］。

最常用的整合方式是通过活动形成连贯的，有组织的课程结构［2］。

STEM课程是以活动为基础，或者以项目和问题解决为基础，使参与课程的学生能获得实践的体验。

学生在应用数学和科学所学知识来应对世界巨大挑战的同时，能够进行创造、设计、建构、发现、合作并解决问题［3］。

二、基于项目的STEM活动STEM教育最为显著的特点之一即为整合性。

以一门学科的内容为核心目标，教师利用其他领域的现实问题情境来推动核心内容的学习［4］。

这种情境整合方式最为符合STEM教育中学生解决真实世界复杂问题的需要，学者Kelley提出情境化的整合性STEM学习模式（见图1）。

其中科学探究、工程设计、技术素养和数学思维是STEM教育整合框架中的核心要素，它们之间的关系是以生活和工作问题为议题，在具体问题和项目的驱动下，学习实践共同体通过科学探究和工程设计，运用数学思维和技术素养进行STEM学习。

笔者依据STEM教育理念，设计具有整合性的基于项目的STEM 活动：一个以真实的生活情境为主题，以任务驱动的形式引导学生运用科学知识和工程设计，制定出问题解决的方案，进行测试和优化，最终制作出产品的实践过程（见图2）。

基于项目的STEM活动设计一例——为新能源汽车制作铝空气电池刘晴（南京师范大学教师教育学院江苏南京210097）摘要：STEM教育提出以来，越来越受到各国政府重视。

基于项目的STEM活动是其实施途径之一。

该案例以新能源汽车为背景，铝空气电池制作为内容，采用小组活动形式，结合STEM教育的整合性，将科学、技术、工程和数学的跨学科知识融入到真实情境中，以任务驱动的形式，引导学生进行探究和设计各种形式的铝空气电池，从“铝-铜电池”、“铝罐-钢丝绒电池”、“铝箔—活性炭电池”、到“卷饼电池”，以期为STEM活动的设计提供案例。

铝—空气燃料电池发热的原因及其处理方案摘要：由于其具备较高的安全性、较大的能量密度、较小的体积、环境友好、以及良好的放电稳定性，铝—空气燃料电池已经成为未来可持续发展的新兴技术。

然而，由于铝—空气燃料电池在反应过程中会释放出大量的能量，使得它的实际发电效率较低，从而限制了它在商业上的广泛使用。

本文旨在深入探讨铝-空燃料电池的反应机制，以及其产生的高温现象，并结合实验数据，给出有效的减少高温的技术手段，以期达到节能减排的目的。

关键词：燃料电池；电池发热；原因；处理方案1铝空气电池反应机理电池的反应原理是通过将氧气作为正极，将高纯度的铝（Al）作为负极，或者选用铝作为主要成分的金属合金来实现，使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）等具有碱性的水溶液作为电解剂，可以有效地提高电解效率，当铝与氧发生化学反应时，它们会产生电能，而这种电能会被转换成氧化铝。

2发热原因分析2.1铝空单体通过将正极膜、负极铝合金与强碱电解液结合，可以将金属氧化反应中的化学能量转换为可用的电能。

当铝合金这种材料被充分进行能量转化时，它的发电量可达到8.1kWh/kg。

不过，由于其与强酸或强碱的混合物容易产生化学反应，因此需要特别注意这种不利影响。

该反应可以被视为一种副反应，它可以持续进行，并且会释放出大量的热能，但却没有产生任何电能，而且还需要持续地消耗铝。

由于副反应消耗的铝未被充分利用，导致其未被转换为电能，从而使得其他形式的能量被浪费掉，其中绝大多数被转换成了热能。

其次，在单体电池的电化学反应过程中，电子的定向流动和反应物质的迁移是必不可少的，但是，由于各种物质的内阻以及它们之间的界面电阻，这些反应的效率往往会受到限制。

由于这些因素，在输出电流时，大量的能量将被转换成热能，从而使系统的效率降低。

在电解过程中，氢氧化铝的沉积量不断增加，使得正负极之间的电阻显著减小，同时，由于溶解物的存在，使得电解液的粘度急剧上升，从而导致其导电性能急剧下降，最终引发了更高的产热量。

新能源汽车金属空气电池课程教学设计一、任务引入（时间： 5分钟）【知识回顾】1. 超级电容池的结构原理及特点2. 超级电容电池的充放电特性。

【任务分析】本次课学习内容包括金属空气电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。

【目标要求】1.了解金属空气电池的类2.掌握金属空气的结构和工作原理3.了解金属空气电池正负极材料【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。

二、知识准备（时间：40分钟）【相关知识】1.导入新课金属空气电池是用金属燃料代替氢能源形成的一种新概念电池，有望成为新一代绿色能源。

它发挥了燃料电池的众多优点，将锌、铝等金属像氢气一样提供到电池中的反应位置，与氧气一起构成一个连续的电能产生装置，金属空气电池既有丰富的廉价资源，又能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，是很有发展和应用前景的新能源。

下面我们一起进入金属空气电池的学习。

2.讲授新知识引导问题 2：金属空气的概念和相关知识？教学开展：以一金属空气电池汽车引发学生探索兴趣，然后提出引导问题引导学生探索超级电容的相关知识。

一、金属空气电池简介金属空气电池（MAB ）是一类特殊的燃料电池，也是新一代绿色二次电池的代表之一。

金属空气电池发挥了燃料电池的优点，以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌（或铝、锂等）作为负极活性物质，空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属锌（或铝）反应而放出电能。

金属空气电池具有成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点，因此，被称为是面向21世纪的绿色能源。

二、金属空气电池的结构及工作原理1. 正极（空气电极）一个空气电极一般由三层组成：催化层、防水透气层及用来增加电极机械强度的金属集流导电网。

空气中的氧在电极参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散，在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行电化学还原。

因此，催化层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极性能的好坏。

铝空气电池的最低放电电压1.引言1.1 概述铝空气电池是一种新型的电池技术，它利用铝和空气中的氧气反应来释放能量。

与传统的锂离子电池相比，铝空气电池具有更高的能量密度和更低的成本。

因此，它被广泛看作是未来电池技术的一个有希望的候选者。

铝空气电池的原理非常简单。

它由两个主要部分组成：铝阳极和空气阴极。

在电池内部，铝阳极与空气阴极之间通过电解质分离。

当铝阳极与空气阴极之间连通电路时，铝开始氧化并释放出电子。

同时，空气中的氧气也会参与反应，接受电子并与铝形成氢氧化铝。

这一反应过程中释放出的电子可用于产生电能。

铝空气电池具有广泛的应用前景。

由于其高能量密度和低成本的特点，它可以被广泛应用于电动车辆、无人机、便携设备等领域。

相比于传统的锂离子电池，铝空气电池的能量密度更高，可以提供更长的续航里程，从而满足人们对电动交通工具的需求。

然而，铝空气电池的最低放电电压是一个重要的参数。

最低放电电压指的是电池能够正常运行的最低电压。

当电池的电压低于最低放电电压时，电池就无法继续提供电能，必须进行充电或更换。

因此，了解铝空气电池的最低放电电压对于设计和使用该电池都显得尤为重要。

影响铝空气电池最低放电电压的因素有很多。

首先，电池内部电解质的浓度会直接影响最低放电电压。

浓度越高，电池的最低放电电压就越低。

其次，电池中阳极和阴极的材料也会对最低放电电压产生影响。

不同材料的反应特性不同，因此会导致不同的最低放电电压。

此外，电池的温度、充放电速率和使用环境等因素也会对最低放电电压产生一定的影响。

综上所述，了解铝空气电池的最低放电电压是十分重要的。

只有准确掌握了这一参数，才能充分发挥铝空气电池的优势，并在实际应用中取得更好的性能表现。

因此，研究和探索影响铝空气电池最低放电电压的因素，将有助于推动铝空气电池技术的发展和应用。

1.2 文章结构本文将通过以下几个部分来探讨铝空气电池的最低放电电压：第一部分是引言部分，我们将概述铝空气电池及其在能源领域的应用，并介绍本文的结构和目的。