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实验目的

近年来，锂电电动车、充电桩、储电设施爆燃事件频发，对国家能源改革和新能源发展产生了负面影响。国家能源改革的发展，“碳达峰”、“碳中和”目标的实现离不开绿色能源的转化、存储与利用。材料，是能源“转、存、用”的核心关键。本实验重点围绕碱金属-空气二次电池的电极材料设计进行课程实验设计。考虑到金属锂、钠、钾，极为活泼，极易燃烧甚至爆炸，作为学生实验具有不可控的安全问题，同时电池燃爆时的应急处理同样不适宜进行现实演练，进而构建了虚拟仿真实验。旨在让学生掌握如何通过材料设计改变电池的性能，进而了解材料电化学能量转化、存储于利用的过程，传递学生能源绿色利用和绿色发展的理念，培养适应国家未来能源领域与产业需求的专门性人才。

具体而言，碱金属-空气电池如锂空气电池、钠空气电池和钾空气电池，作为高比能二次电池的代表，具有高比能量的优势，能够实现太阳能、风能等间歇能源的高存储和再释放。特别是锂空气电池，在所有的电池体系中，拥有最高的理论比能量。碱金属-空气电池空气极采用氧气作为反应物，负极采用碱金属锂、钠、钾作为反应物。其电池性能的关键在于空气极材料还原氧气和分解放电产物的能力。通过实验掌握改变电池电化学性能的材料优化方法，进而懂得利用材料科学与工程的思维解决电池应用中的问题。实验直接对接新能源、电动汽车领域的电池应用，实用性较强，进行虚拟课程建设十分必要。

教学设计重点围绕材料的设计优化以改善电池的特性，同时包含电池组装测试过程，特别是电池燃爆时的应急处理模块，通过合理的全流程设计，让学生能够系统利用材料科学与工程的知识，进行材料改性，进而获得高性能的电池。通过教学设计能够让学生掌握提升锂空气电池比能量、循环寿命、倍率性能、能量效率的材料设计方法；掌握锂空气电池的基本原理和组装测试过程；了解不同碱金属及其金属-空气电池理论比能量与金属材料的关系；了解锂空气电池燃爆的应急处理方法。通过上述设计，让学生掌握从电极材料的基本设计到电池组装，再到电池测试及应急情况演练全流程过程，教学设计具有较好的合理性。

实验原理

碱金属-空气二次电池主要包括锂空气电池、钠空气电池和钾空气电池。三者均采用有机电解液作为电解质，负极采用对应的活泼金属，采用具有氧还原（ORR）催化和OER催化能力的材料作为空气极及正极。其中，以锂空气电池为例，其反应为2Li+O2=Li2O2。根据上述式，由能斯特方程：ΔG= -nFE（ΔG为化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变，n为反应得失电子数，为2；F为法拉第常数，F = 96487 C =26.81 Ah mol-1，E为总反应的热力学平衡电位）可以计算出反应的平衡电位值分别为2.96 V (vs. Li/Li+)。根据法拉第方程：Q = Fn/3.6*M（Q为活性物质的理论比容量，F、n同能斯特方程，M为活性物质的分子量）可计算出Li2O2和金属Li的理论质量比容量分别为1168 mAh g-1和3860 mAh g-1。比容量乘以总反应热力学平衡电位即为理论能量密度。即对于反应的能量密度为3457 Wh Kg-1。

同样，对于钠空气电池，负极金属锂换成钠，虽然理论比能量有所降低，但钠具有储量丰富、价格低廉等优势。但是关于其电池化学仍然有很多争议，仅观察到的放电产物就有超氧化钠(NaO2)、过氧化钠(Na2O2)和二水过氧化钠(Na2O2?2H2O)，少数情况下甚至还可能是氢氧化钠(NaOH)和缺陷过氧化钠(Na2-xO2)。2013 年，Hartmann 等首次报道了以 NaO2作为放电产物的Na-O2电池。在充电过程中，电池的过电位能够低至 0.2 V，这使得 Na-O2电池成为了 Li-O2电池的潜在替代者。但是，NaO2的活性很强，导致循环过程中更容易发生副反应，生成的副产物会增大充电过电位。相比于 NaO2，Na2O2的活性没有那么强，但是Na2O2与Li2O2相似的低导电率使其分解时需要更高的电压，因此当电池放电产物为Na2O2时，电池的能量效率也会相对更低。

再次，钾空气电池采用金属钾作为负极，相对于其他不完全稳定的超氧化物（例如LiO2和NaO2）, KO2从动力学和热力学的角度来说都是稳定的产物，为电池的长期稳定性提供了可靠依据。有效提高的能量效率（> 90%）和地球上丰富的钾、氧元素使得K-O2电池成为了极具希望的下一代能量储存设备。不同于其他多电子的电化学过程（例如4电子的水分解，以及锌2电子的锂空电池），基于单电子的钾空电池并不需要高昂的电化学催化剂。

然而，从上述原理分析可以看出，其反应过程较为复杂，反应中间体LiO2、NaO2、Na2O2等十分活泼和不稳定，目前还难以通过现实的实验直接观察，此外负极采用的金属锂、钠、钾极为活泼，易燃易爆，只能在液体石蜡或氩气中存放，且组装电池环境要求较高，学生实验无法保证安全。同时电池燃爆时的应急处理同样不适宜进行现实演练，因此亦适合进行虚拟仿真实验授课。

知识点：共4个

1. 碱金属-空气电池性能与电极材料关系；

2. 空气极材料的ORR、OER催化活性与电池特性；

3. 碱金属-空气电池的组装与性能测试；

4. 碱金属-空气电池的燃爆与安全控制。

仿真设计基于不同负极材料电池的理论比能的不同选择理论比能更高的材料，通过优化同一电极材料的几何结构，本征电导性，导电需求的不同仿真出最佳比能量电池；通过优化同一电极材料的不同碳材料表面保护，降低用于循环的比容量，加入具有OER催化活性的催化剂，加入电解液添加剂仿真出获得最佳电池循环寿命；通过优化同一电极材料的添加不同正极导电剂，选择不同电极制备工艺，通过电解液粘度改变Li离子和氧气传输，通过电解液溶质浓度改变Li离子传输能力，改变活性材料三位结构等多种方法方正处最佳电池倍率性能；通过优化同一电极材料，添加不同类型催化剂，改变电池温度环境，添加电解液氧化还原媒介仿真得到最佳电池能量效率。采用全三维建模，模型需包括手套箱、电池测试装置、消防安全装置等。程序实验包含实验知识介绍功能、基础知识考核功能、电池设计功能、电池组装功能、电池的性能测试功能、电池燃爆安全处理功能、Origin作图仿真功能、实验报告功能。

实验内容及步骤

实验交流

序号	资源信息分类	资源信息名称	资源信息编号	资源信息类型	费用	收费有效期	状态
1	操作	锂空气电池材料设计、性能分析与燃爆演练虚拟仿真实验	001	外部链接	0.00	0	有效

计费类别：	时长
计费标准：	0.00元/0分钟

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