电极结构优化提高氧的气相传质速度高效催化剂，红宝石电容高活性、长寿命、价格低廉

石墨烯在铝-空气电池中的应用铝-空气燃料电池是一种新型高比能电池，金属铝作负极，空气电极作正极，红宝石电容电解液一般为中性盐溶液或强碱性溶液，图1-15为其结构示意图。具有理论比能量高(8100Wh/kg)、比功率中等、使用寿命长、无毒、无有害气体产生、适应性强、电池负极原料铝廉价易得等优点。[插图]图1-15 铝-空气燃料电池结构示意图铝-空气电池的缺点是充电和放电速度较缓慢，电压滞后，这一特性由氧电极决定。氧电极是铝空气电池的核心，也是制约其产业化的关键因素。氧电极的研究主要集中在两个方面: 电极结构优化，提高氧的气相传质速度；高效催化剂，克服氧还原过程中严重的电化学极化。铝-空气电池中，催化层是空气电极的最关键部分，对其电化学性能起着决定性的作用，研制高活性、长寿命、价格低廉的催化剂是提高空气电极性能的关键，而催化剂中载体起着至关重要的作用。红宝石电容催化剂的载体应当具有以下特征: (1)导电性能优异，能对电极反应需要的电子和电极反应产生的电子快速导入、导出；(2)结构合理，物理性能稳定；(3)比表面积大，可减少贵金属使用量、提高催化剂分散度；(4)抗腐蚀能力良好，不与电解质发生反应。碳基载体，如炭黑、乙炔黑、碳纳米管等，因其具有良好的传输电子能力及结构稳定性成为金属-空气电池催化剂载体的理想选择。石墨烯厚度只有0.335nm，是目前世界上发现最薄的材料。相对于其他碳基载体，具有更大的理论比表面积（约为2630m2/g）和更好的电子传导能力[约为2×105cm2/(V·s)]，成为铝-空气电池催化剂载体的研究热点。刘臣娟研究了石墨烯载体在铝-空气电池中的应用。采用改进的Hummers法制备氧化石墨(Graphite Oxide, GO)，热膨胀法和聚苯胺修饰法制备石墨烯，并通过微波辅助乙二醇方法制备了一系列石墨烯基Pt-Co合金催化剂，氧化还原活性得到明显提高。他们还将石墨烯与XC-72和MWCNT复合，制备多维复合型载体，当氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)与XC-72质量之比为2:1时，催化剂相对于商业催化剂（SECSA为92.8m2/g，半波电位0.49V）具有较高的电化学活性和更小的电化学极化（SECSA为179.4m2/g，半波电位0.56V），但是得到的空气电池，放电平台在恒流放电电流为30mA时比商业催化剂低0.025V。当GO与MWCNT质量之比为2:1时，相对于商业催化剂具有较高的电化学活性和更小的电化学极化（SECSA为105.4m2/g，半波电位0.54V），放电平台在恒流放电电流为30mA时比商业催化剂高0.06V。红宝石电容石墨烯复合催化剂、新结构空气阴极、金属阳极合金化、单电池制备工艺等方面取得了一系列进展，其中采用石墨烯复合锰基氧化物催化剂以及新型石墨烯基高效空气阴极将单体电池功率密度提高了25%，大幅度提升了金属空气电池综合性能。研究团队于2017年6月成功研制出基于石墨烯空气阴极的千瓦级铝空气电池发电系统，该电池系统能量密度高达510Wh/kg、容量20kWh、输出功率1000W。