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第Ⅱ部分鎢在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第九章鎢在鋅空電池中的應(yīng)用

鋅空電池（Zinc-Air Battery）是一種半蓄電池半燃料電池，是一種以空氣中的氧氣爲(wèi)正極活性物質(zhì)，金屬鋅爲(wèi)負(fù)極活性物質(zhì)的一種新型化學(xué)電源。鋅空電池的負(fù)極活性物質(zhì)同鋅錳、鉛等蓄電池一樣封裝在電池內(nèi)部，具有蓄電池的特點(diǎn)；正極活性物質(zhì)來自電池外部的空氣中所含的氧，理論上有無限容量，是燃料電池的典型特徵。

鋅空電池是一種可充電的電池，可以通過充電和放電的過程來儲(chǔ)存和釋放電能。鋅空電池的工作原理：當(dāng)電池放電時(shí)，鋅電極與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鋅和電子。這個(gè)反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，其中鋅被氧化，氧氣被還原。電子通過外電路流動(dòng)，産生電流，爲(wèi)負(fù)載提供電能。當(dāng)電池充電時(shí)，反應(yīng)逆向進(jìn)行，電子從外電路流入，還原鋅電極和氧氣，使電池恢復(fù)到初始狀態(tài)。

鋅空電池圖片

鋅空氣電池可以表達(dá)爲(wèi)：(-) Zn | KOH | O2 (+)

鋅空氣電池放電時(shí)陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)爲(wèi)：
Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-
Zn(OH)42-→ZnO+2OH-+H2O
O2+2H2O+4e-→4OH-

總的電化學(xué)反應(yīng)爲(wèi)：2Zn+O2→2ZnO

據(jù)中鎢在綫/中鎢智造瞭解，過渡金屬鎢（W）能應(yīng)用在鋅空電池中，主要體現(xiàn)在其多種化合物如黃色氧化鎢（三氧化鎢，WO3）、紫色氧化鎢（WO2.72）、二硫化鎢（WS2）和鎢酸鈷（CoWO4），都可以作爲(wèi)鋅空電池的催化劑。這些催化劑在鋅空電池中起到加速氫氣和氧氣反應(yīng)的作用，從而提高電池的容量和充放電效率。

中鎢在綫納米紫色氧化鎢圖片

黃色氧化鎢是一種常見的催化劑，其穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)性質(zhì)使其在鋅空電池中表現(xiàn)出良好的催化性能。WO3的催化活性較高，能夠有效地促進(jìn)氧還原反應(yīng)（ORR）和氧進(jìn)化反應(yīng)（OER），從而提高電池的反應(yīng)速率。此外，WO3還具有良好的耐候性和穩(wěn)定性，可以在多次充放電循環(huán)中保持其性能。

中鎢在綫納米黃色氧化鎢圖片

紫色氧化鎢也是一種具有高催化活性的催化劑，尤其適合在鋅空電池中使用。與黃色氧化鎢相比，WO2.72的晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，可以承受電池充放電過程中的極端條件。同時(shí)，WO2.72的表面性質(zhì)活潑，可以提供更多的活性位點(diǎn)，促進(jìn)氫氣和氧氣的反應(yīng)。這種催化劑的應(yīng)用可以顯著提高鋅空電池的反應(yīng)速率和能量轉(zhuǎn)化效率。

二硫化鎢和鎢酸鈷也是鋅空電池中常用的催化劑。WS2具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率，可以有效地促進(jìn)氧還原反應(yīng)。同時(shí)，WS2還可以抑制電極上的副反應(yīng)，從而提高電池的穩(wěn)定性和壽命。而鎢酸鈷作爲(wèi)一種鈷基催化劑的前驅(qū)體，具有較好的低溫活性和耐候性，可以在較低的溫度下啓動(dòng)電池反應(yīng)，幷且保持較長(zhǎng)的使用壽命。

總的來說，多種鎢化合物都可以在鋅空電池中作爲(wèi)高效的催化劑。這些催化劑的應(yīng)用能顯著提高鋅空電池的性能和效率，進(jìn)一步推動(dòng)鋅空電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

中鎢在綫納米紫色氧化鎢圖片

鋅空電池的優(yōu)點(diǎn)：（1）該電池不會(huì)因爲(wèi)過熱、短路、穿刺等外部因素而發(fā)生燃燒或爆炸，具有較高的安全性。（2）該電池的正極使用活性碳和銅網(wǎng)，沒有使用一些有毒害的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好。（3）與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋅空電池的能量密度更高，能夠提供更多的電能。（4）該電池的充電速度較快，可以在短時(shí)間內(nèi)爲(wèi)設(shè)備提供大量的電能。（5）鋅電極使用完後，可以通過再生方式恢復(fù)其性能，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

鋅空電池的缺點(diǎn)：（1）鋅空氣電池的比能量是鉛酸蓄電池的4～6倍，比鋰離子電池比能量都大1倍，以其作爲(wèi)動(dòng)力的電動(dòng)汽車最大行程可達(dá)400km，而以同等質(zhì)量的鉛酸蓄電池裝同樣的車一般行程則不大于100km。（2）雖然鋅空電池的製造成本較鉛酸蓄電池低，但由于其使用成本相對(duì)較高，包括維護(hù)、更換電極等費(fèi)用，因此整體使用成本較高。（3）鋅空電池通常采用機(jī)械充電方式，要求將鋅電極取出在專用充電槽中充電，只有專業(yè)人員才能進(jìn)行操作，給使用帶來了麻煩，同時(shí)也提高了人工費(fèi)用。（4）壽命短：這主要是因爲(wèi)電池的結(jié)構(gòu)帶來的影響。如電池的外殼是由塑料包覆空氣電極而成，不是完整的塑料槽，因此給電池的密封帶來了困難，不少電池在使用一定時(shí)間後就出現(xiàn)漏液現(xiàn)象。其次，鋅空氣電極必須製成多孔狀，多孔的電極可吸附氧氣，但同時(shí)也吸附部分二氧化碳，使電解液碳酸鹽化，致使電池的效率大大下降。（5）批量生産加工工藝不夠成熟：這主要是催化膜和防水透氣膜的製造，大多需要半機(jī)械操作，存在一些手工因素，導(dǎo)致電極性能有差異。

鋅空電池圖片

鋅空電池被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括但不限于以下方面：

電動(dòng)汽車：由于其高能量密度和長(zhǎng)壽命特性，鋅空電池被用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源。

電動(dòng)汽車圖片

無人機(jī)：無人機(jī)需要輕便、高效且長(zhǎng)壽命的電池來提供飛行所需的電能。

電動(dòng)自行車：電動(dòng)自行車需要長(zhǎng)壽命、輕便且環(huán)保的電池來提供動(dòng)力。

電動(dòng)自行車圖片

備用電源：在電力供應(yīng)不穩(wěn)定或不可用的情況下，鋅空電池可以作爲(wèi)備用電源使用。

移動(dòng)設(shè)備：手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備也可以使用鋅空電池作爲(wèi)電源。

平板電腦圖片

環(huán)境監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究：鋅空電池在環(huán)境監(jiān)測(cè)和科學(xué)研究中也有廣泛的應(yīng)用。例如，可以使用鋅空電池爲(wèi)傳感器提供電力，以監(jiān)測(cè)環(huán)境中的氣體濃度或溫度等參數(shù)。

醫(yī)療領(lǐng)域：在醫(yī)療領(lǐng)域中，鋅空電池也被用于各種醫(yī)療設(shè)備和儀器中。例如，可以使用鋅空電池爲(wèi)心臟起搏器或胰島素泵提供電力。

除顫儀圖片

能源存儲(chǔ)系統(tǒng)：鋅空電池可以作爲(wèi)可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的一部分使用。例如，可以使用鋅空電池將太陽能或風(fēng)能産生的電能儲(chǔ)存起來，以便在需要時(shí)使用。

其他領(lǐng)域：除了上述領(lǐng)域外，鋅空電池還可以用于其他各種領(lǐng)域中。例如，可以使用鋅空電池爲(wèi)玩具、遙控器等小型電器提供電力。

太陽能電池板圖片

據(jù)中鎢在綫瞭解，近年來，傳統(tǒng)鋅空電池行業(yè)企業(yè)在市場(chǎng)中面臨著較大的生存壓力。由于國(guó)內(nèi)新興的小作坊企業(yè)的靈活商業(yè)模式和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)策略，他們只能獲得微薄的利潤(rùn)。這些小企業(yè)通過各種手段降低成本，參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，給傳統(tǒng)企業(yè)帶來了巨大的損失。

面對(duì)國(guó)際鋅空電池行業(yè)大企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)和非標(biāo)小企業(yè)的滲透，傳統(tǒng)企業(yè)顯得力不從心。市場(chǎng)外部環(huán)境的變化，包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等方面的變革，以及貨幣市場(chǎng)供求關(guān)係的變化，都給傳統(tǒng)企業(yè)帶來了不小的衝擊。這些因素使得傳統(tǒng)鋅空電池行業(yè)企業(yè)不得不尋求創(chuàng)新和變革，以適應(yīng)市場(chǎng)的變化。

儘管鋅空電池行業(yè)市場(chǎng)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，産業(yè)鏈和管理鏈也在逐步完善，但由于缺乏上級(jí)法律和相關(guān)企業(yè)資質(zhì)認(rèn)定規(guī)則，部分領(lǐng)域的管理存在空缺。珠三角、長(zhǎng)三角、京津地區(qū)的鋅空電池産業(yè)集群已經(jīng)初步形成，且年均增長(zhǎng)率達(dá)到了17%。然而，全國(guó)規(guī)模以上的鋅空電池行業(yè)企業(yè)尚未形成氣候，市場(chǎng)尚未進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。

對(duì)于傳統(tǒng)鋅空電池行業(yè)企業(yè)來說，要應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)幷突破發(fā)展瓶頸，重塑市場(chǎng)地位，需要從多方面入手。首先，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，提高電池的品質(zhì)和性能，以應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的挑戰(zhàn)。其次，注重品牌建設(shè)和市場(chǎng)推廣，提高品牌知名度和美譽(yù)度，增強(qiáng)消費(fèi)者的忠誠(chéng)度和認(rèn)可度。此外，加強(qiáng)與上下游企業(yè)的合作，共同應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化和挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)互利共贏。同時(shí)，還需要關(guān)注政策法規(guī)和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，及時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)布局，以適應(yīng)市場(chǎng)的變化和需求。最後，注重人才培養(yǎng)和引進(jìn)，建立完善的人才激勵(lì)機(jī)制，爲(wèi)企業(yè)的發(fā)展提供有力的人才保障。通過這些措施的實(shí)施，傳統(tǒng)鋅空電池行業(yè)企業(yè)有望在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

鋅空電池圖片

9.1 氧化鎢在鋅空電池中的應(yīng)用

9.1.1 鋅空電池催化劑用黃色氧化鎢複合材料

9.1.2 鋅空電池催化劑用紫色氧化鎢複合材料

9.1.3 鋅空電池催化劑用氧化鎢的挑戰(zhàn)

9.2 二硫化鎢在鋅空電池中的應(yīng)用

鋅空電池的正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，而負(fù)極活性物質(zhì)是金屬鋅。在電池放電過程中，正極的氧氣和負(fù)極的鋅會(huì)反應(yīng)生成氧化鋅和水，同時(shí)釋放出電能。但是，這個(gè)反應(yīng)是緩慢的，會(huì)導(dǎo)致電池放電速率低下。爲(wèi)了加快這個(gè)反應(yīng)速率，提高電池的放電性能，需要使用催化劑如二硫化鎢（WS2）。

納米二硫化鎢是一種新型的催化劑，是一種具有可調(diào)帶隙的半導(dǎo)體材料，其帶隙寬度約爲(wèi)2.4eV，能夠吸收可見光和紫外光，産生電子和空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)。此外，二納米硫化鎢的吸收光譜範(fàn)圍廣，能夠吸收可見光甚至近紅外光，進(jìn)一步擴(kuò)大了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用範(fàn)圍。

從結(jié)構(gòu)上分析，二硫化鎢具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和可調(diào)控的表面性質(zhì)。首先，納米WS2是一種半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)中存在大量的空穴和電子，這些空穴和電子可以與光子相互作用，産生電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的吸收和利用。其次，納米WS2的表面性質(zhì)可以通過物理或化學(xué)方法進(jìn)行調(diào)控。例如，通過熱處理或氧化處理可以改變材料的晶粒大小和表面結(jié)構(gòu)，從而影響其光學(xué)性質(zhì)和催化活性。此外，還可以通過摻雜不同金屬或離子來調(diào)控表面的化學(xué)特性，提高催化活性和選擇性。

作爲(wèi)催化劑，納米二硫化鎢具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)：納米WS2具有寬的帶隙和優(yōu)異的吸收光譜範(fàn)圍，可以吸收可見光和紫外光，産生大量的電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的高效利用。（2）可調(diào)控的表面性質(zhì)：納米WS2的表面性質(zhì)可以通過物理或化學(xué)方法進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)催化活性和選擇性的優(yōu)化。（3）良好的穩(wěn)定性：納米WS2在高溫、高壓等極端條件下具有良好的穩(wěn)定性，不易發(fā)生分解或失活等現(xiàn)象。（4）環(huán)保無毒：WS2是一種環(huán)保無毒的材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

綜上所述，納米二硫化鎢作爲(wèi)一種具有優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)和可調(diào)控表面性質(zhì)的半導(dǎo)體材料，在光催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于其良好的穩(wěn)定性和環(huán)保無毒的特點(diǎn)，納米WS2有望成爲(wèi)未來綠色能源和環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域的重要材料之一。

中鎢在綫納米二硫化鎢圖片

9.2.1 鋅空電池催化劑用納米二硫化鎢

鋅空電池是一種先進(jìn)的化學(xué)電源，具有高能量密度、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)。在鋅空電池中，催化劑是實(shí)現(xiàn)高效能放電的關(guān)鍵組成部分。常見的鋅空電池催化劑有貴金屬催化劑，碳基催化劑和過渡金屬化合物（如納米二硫化鎢）催化劑。

貴金屬催化劑是最常用的鋅空電池催化劑之一，主要包括鉑（Pt）、鈀（Pd）、金（Au）等。優(yōu)點(diǎn)：貴金屬催化劑具有優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，能夠有效地提高鋅空電池的放電性能。同時(shí)，貴金屬催化劑的研究較爲(wèi)成熟，已經(jīng)具備了較爲(wèi)完善的製備和表徵方法。缺點(diǎn)：貴金屬催化劑的成本較高，會(huì)大幅增加鋅空電池的成本。此外，貴金屬資源有限，不利于大規(guī)模應(yīng)用。另外，貴金屬催化劑在高溫或高電流密度下可能會(huì)發(fā)生失活現(xiàn)象。

碳基催化劑是一種較爲(wèi)環(huán)保的催化劑，主要包括石墨烯、碳納米管、活性炭等。優(yōu)點(diǎn)：碳基催化劑具有成本低、易製備、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，碳基材料還具有較好的電導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地提高鋅空電池的放電性能和壽命。此外，碳基材料還具有良好的生物相容性和環(huán)保性，有利于在醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用。缺點(diǎn)：碳基催化劑的催化活性相對(duì)較低，需要進(jìn)一步優(yōu)化和提高其催化性能。此外，碳基材料的製備過程中可能會(huì)産生一些有害物質(zhì)，需要加強(qiáng)環(huán)保措施。

鋅空電池圖片

過渡金屬化合物催化劑是一種較爲(wèi)廉價(jià)的催化劑，主要包括錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）等過渡金屬化合物。優(yōu)點(diǎn)：過渡金屬化合物催化劑具有較高的催化活性和穩(wěn)定性，能夠有效地促進(jìn)氧氣和鋅的反應(yīng)。同時(shí)，過渡金屬化合物催化劑的成本相對(duì)較低，有利于大規(guī)模應(yīng)用。此外，該催化劑還具有較好的耐高溫性能和抗腐蝕性能。缺點(diǎn)：過渡金屬化合物催化劑的製備成本較高，且催化活性受到溫度和濕度的影響較大。此外，該催化劑的電導(dǎo)率較低，可能會(huì)影響電池的放電性能。

中鎢在綫納米二硫化鎢圖片

值得一提的是，納米二硫化鎢是一種典型的過渡金屬化合物催化劑。首先，納米WS2具有高效、穩(wěn)定的催化性能。在鋅空電池的反應(yīng)過程中，納米WS2能夠有效地促進(jìn)氧氣的還原反應(yīng)，從而加速電池的放電過程。同時(shí)，納米WS2還能夠提高電池的能量密度和壽命，進(jìn)一步提高了電池的性能。

其次，納米二硫化鎢作爲(wèi)一種半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和可調(diào)控的表面性質(zhì)。在鋅空電池中，納米WS2能夠吸收可見光和紫外光，産生電子和空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)。此外，納米WS2的表面性質(zhì)可以通過物理或化學(xué)方法進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)催化活性和選擇性的優(yōu)化。

此外，納米二硫化鎢還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和環(huán)保無毒的特點(diǎn)。在高溫、高壓等極端條件下，納米WS2能夠保持穩(wěn)定的催化性能，不易發(fā)生分解或失活等現(xiàn)象。同時(shí)，納米WS2是一種環(huán)保無毒的材料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

綜上所述，納米二硫化鎢作爲(wèi)鋅空電池的催化劑，具有高效、穩(wěn)定、環(huán)保無毒等特點(diǎn)。在鋅空電池中，納米WS2能夠有效地促進(jìn)氧氣的還原反應(yīng)，提高電池的能量密度和壽命。同時(shí)，納米WS2還能夠?qū)崿F(xiàn)光催化反應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)大了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用範(fàn)圍。