新能源汽车金属空气电池课程教学设计.doc

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。而空气电极反应是在气、液、固三相界面上进行的，电极内部能否形成尽可能多的有效三相界面，将影响催化剂的利用率和电极的传质过程。在放电过程中，氧气在三相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子。2. 负极（金属电极）金属空气电池的理论能量密度只取决于负极，即燃料电极，这是电池中传递的唯一活性物质。金属阳极通常都要根据具体的金属性质进行金属成分或形态的加工处理，以满足电池要求。目前负极主要研究的有铝或锌等金属合金。3. 电解液空气电极在反应过程中产生氢氧根离子，它的电动势一般由溶液中的氢氧根离子的浓度决定。倘若OH-离子局部地增加，那么由于电势变化过速会引起严重的极化。缓冲溶液能减低pH变化，也即减低氢氧根离子浓度的变化，这样可减小极化而提供更大的电流。酸和碱都是比较好的缓冲溶液，因此最令人满意的空气电极均采用高浓度的碱性或酸性电解液。碱性和酸性电解液均有缺点，碱性电解液会被空气中的二氧化碳污染，酸性电解液会与低廉的催化剂作用使之腐蚀，同时也腐蚀用于空气电极的集流体。三、金属空气电池的类型和特点1.类型有锌空气电池、铝空气电池、铁空气电池和锂空气电池。2. 锌空气电池优点：（1）比能量高。由于正极活性物质来自电池的外部，无需占用电池的空间，在相同体积、质量的情况下，锌空气电池内可以装入更多的负极活性物质，使得锌空气电池比普通电池的容量高出很多，其理论比能量达到1350Wh/kg以上，实际比能量在1000Wh/kg以上，属于大容量高能化学电池。（2）价格低廉。阳极活性物质锌来源丰富，价格便宜。阴极活性物质氧气来源于周围空气，基本等同于现在普通使用的铅酸蓄电池。（3）性能稳定，放电平稳。因放电时阴极催化剂本身不起变化，加之锌电极电压稳定，故放电时电压变化很小。（4）储存寿命特佳。锌空气原电池实际上是属于储备型电池。因为在储存过程均采用密封措施，将电池的空气孔与外界空气隔离，因而电池的容量损失极小，每年小于2。（5）安全可靠，无污染。从生产到使用，从新产品到废品回收，都不会污染环境，更不会燃烧爆炸，堪称绿色能源。3. 铝空气电池具有如下优点: （1）铝是一种活泼金属，它比锌、镁之类的金属更有吸引力。铝的电化学当 量很高，为2980Ah/kg，是除锂之外比能量最高的金属，铝空气电池的比能量 实际可达到450Wh/kg，比能量密度小于铅酸蓄电池，比功率为50200W/kg，寿命达34年。因此，对铝的化学电源的研究和开发，具有诱人的前景。铝反应时每个原子释放3个电子，而锌、镁仅释放2个，锂释放1个。也就是说要产生相同数量的能量所需要的原料量，铝的最少。因此综合众多因素，铝成为金属空气电池阳极材料的最佳选择。 （2）铝空气电池的正极活性物质来源于空气中的氧气，其正极是一种透气、不透液、能导电、有催化活性的薄膜，它在整个电池中所占的比例很小，余下的空间可以用来充填阳极材料。因此在现有的小型电池系统中具有最高的比能量。铝空气电池由于空气电极很薄，使得电池很轻巧，适用于便携式设备。（3）铝空气电池可携带燃料长距离行驶，节约能源，元件可快速更换，是电动自行车的理想电源。另外，该电池用在电动自行车上，无毒、无有害气体，可减小因燃油和燃气带来的噪声，对保护环境有利。（4）铝空气电池安全可靠，无污染，从生产到使用，从新产品到废品回收，都不会污染环境，更不会燃烧爆炸，堪称绿色能源。（5）铝的储量丰富，价格便宜，铝是地球上含量最丰富的金属元素之一，在元素分布上占第3位，全球铝工业储量已超过250亿吨。铝是世界上产量最大，应用最广的金属。（6）铝空气电池无需充电，补充铝电极和电解液后即可产生电流，放电曲线平稳，放电时间长，操作方便。（7）铝电极的生产工艺和设备比较简单，投资少，研制费用低。铝空气电池可设计成电解液循环和不循环两种结构形式，便于因使用场合不同而进行选择。【教学活动设计】教师活动：讲授知识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。三、任务实施 （时间：20 分钟）【任务实施】汽车用金属空气电池的认识（视频）。1.基本设备金属空气电池视频。2.操作步骤汽车用金属空气电池的结构特点、性能参数。3.具体操作【步骤一】示范操作 【步骤二】学生操作训练或课堂实践4.适任评估对任务效果进行检验评价。1.评估要素 结合能力要求2.评估标准 操作准确、熟练（100满分）；操作准确、较为熟练（80满分）；熟练程度一般、能完成操作（60满分）；【教学活动设计】教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。四、项目拓展 （时间：10分钟）我国金属空气电池的应用。五、课堂总结 （时间：5分钟）【任务总结】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。【教学活动设计】教师活动：知识归纳；学生活动评价.；学生活动：提问；分享交流. 六、课后实践 （时间：20 分钟）【自主学习】1.布置作业课后习题2.课外任务3.知识链接