鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（九）

第Ⅱ部分 鎢在新能源電池市場的介紹

第九章 鎢在鋅空電池中的應用

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正極活性物質，金屬鋅爲負極活性物質的一種新型化學電源。

鋅空電池的負極活性物質同鋅錳、鉛等蓄電池一樣封裝在電池內部，具有蓄電池的特點；正極活性物質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存和釋放電能。鋅空電池的工作原理：當電池放電時，鋅電極與氧氣發生反應，生成氧化鋅和電子。這個反應是氧化還原反應，其中鋅被氧化，氧氣被還原。電子通過外電路流動，産生電流，爲負載提供電能。當電池充電時，反應逆向進行，電子從外電路流入，還原鋅電極和氧氣，使電池恢復到初始狀態。

鋅空氣電池可以表達爲：(-) Zn | KOH | O2 (+)

鋅空氣電池放電時陽極和陰極發生的電化學反應爲：

Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-

Zn(OH)42-→ZnO+2OH-+H2O

O2+2H2O+4e-→4OH-

總的電化學反應爲：2Zn+O2→2ZnO

據中鎢在綫/中鎢智造瞭解，過渡金屬鎢（W）能應用在鋅空電池中，主要體現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的作用，從而提高電池的容量和充放電效率。

黃色氧化鎢是一種常見的催化劑，其穩定的晶體結構和良好的化學性質使其在鋅空電池中表現出良好的催化性能。WO3的催化活性較高，能够有效地促進氧還原反應（ORR）和氧進化反應（OER），從而提高電池的反應速率。此外，WO3還具有良好的耐候性和穩定性，可以在多次充放電循環中保持其性能。

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的晶體結構更加穩定，可以承受電池充放電過程中的極端條件。同時，WO2.72的表面性質活潑，可以提供更多的活性位點，促進氫氣和氧氣的反應。這種催化劑的應用可以顯著提高鋅空電池的反應速率和能量轉化效率。

二硫化鎢和鎢酸鈷也是鋅空電池中常用的催化劑。WS2具有較好的化學穩定性和電導率，可以有效地促進氧還原反應。同時，WS2還可以抑制電極上的副反應，從而提高電池的穩定性和壽命。而鎢酸鈷作爲一種鈷基催化劑的前驅體，具有較好的低溫活性和耐候性，可以在較低的溫度下啓動電池反應，幷且保持較長的使用壽命。

總的來說，多種鎢化合物都可以在鋅空電池中作爲高效的催化劑。這些催化劑的應用能顯著提高鋅空電池的性能和效率，進一步推動鋅空電池技術的發展和應用。

鋅空電池的優點：（1）該電池不會因爲過熱、短路、穿刺等外部因素而發生燃燒或爆炸，具有較高的安全性。（2）該電池的正極使用活性碳和銅網，沒有使用一些有毒害的物質，對環境友好。（3）與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋅空電池的能量密度更高，能够提供更多的電能。（4）該電池的充電速度較快，可以在短時間內爲設備提供大量的電能。（5）鋅電極使用完後，可以通過再生方式恢復其性能，實現資源的循環利用。

鋅空電池的缺點：（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，以其作爲動力的電動汽車最大行程可達400km，而以同等質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較高，包括維護、更換電極等費用，因此整體使用成本較高。（3）鋅空電池通常采用機械充電方式，要求將鋅電極取出在專用充電槽中充電，只有專業人員才能進行操作，給使用帶來了麻煩，同時也提高了人工費用。（4）壽命短：這主要是因爲電池的結構帶來的影響。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間後就出現漏液現象。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够成熟：這主要是催化膜和防水透氣膜的製造，大多需要半機械操作，存在一些手工因素，導致電極性能有差异。

鋅空電池被廣泛應用于各種領域，包括但不限于以下方面：

電動汽車：由于其高能量密度和長壽命特性，鋅空電池被用作電動汽車的動力來源。

無人機：無人機需要輕便、高效且長壽命的電池來提供飛行所需的電能。

電動自行車：電動自行車需要長壽命、輕便且環保的電池來提供動力。

備用電源：在電力供應不穩定或不可用的情况下，鋅空電池可以作爲備用電源使用。

移動設備：手機、平板電腦等移動設備也可以使用鋅空電池作爲電源。

環境監測和科學研究：鋅空電池在環境監測和科學研究中也有廣泛的應用。例如，可以使用鋅空電池爲傳感器提供電力，以監測環境中的氣體濃度或溫度等參數。

醫療領域：在醫療領域中，鋅空電池也被用于各種醫療設備和儀器中。例如，可以使用鋅空電池爲心臟起搏器或胰島素泵提供電力。

能源存儲系統：鋅空電池可以作爲可再生能源存儲系統的一部分使用。例如，可以使用鋅空電池將太陽能或風能産生的電能儲存起來，以便在需要時使用。

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

據中鎢在綫瞭解，近年來，傳統鋅空電池行業企業在市場中面臨著較大的生存壓力。由于國內新興的小作坊企業的靈活商業模式和價格競爭策略，他們只能獲得微薄的利潤。這些小企業通過各種手段降低成本，參與市場競爭，給傳統企業帶來了巨大的損失。

面對國際鋅空電池行業大企業的競爭和非標小企業的滲透，傳統企業顯得力不從心。市場外部環境的變化，包括經濟、社會、技術、法規和標準等方面的變革，以及貨幣市場供求關係的變化，都給傳統企業帶來了不小的衝擊。這些因素使得傳統鋅空電池行業企業不得不尋求創新和變革，以適應市場的變化。

儘管鋅空電池行業市場已進入快速發展階段，産業鏈和管理鏈也在逐步完善，但由于缺乏上級法律和相關企業資質認定規則，部分領域的管理存在空缺。珠三角、長三角、京津地區的鋅空電池産業集群已經初步形成，且年均增長率達到了17%。然而，全國規模以上的鋅空電池行業企業尚未形成氣候，市場尚未進入快速增長期。

對于傳統鋅空電池行業企業來說，要應對這些挑戰幷突破發展瓶頸，重塑市場地位，需要從多方面入手。首先，加强技術研發和創新，提高電池的品質和性能，以應對競爭對手的挑戰。其次，注重品牌建設和市場推廣，提高品牌知名度和美譽度，增强消費者的忠誠度和認可度。此外，加强與上下游企業的合作，共同應對市場變化和挑戰，實現互利共贏。同時，還需要關注政策法規和市場動態，及時調整戰略和業務布局，以適應市場的變化和需求。最後，注重人才培養和引進，建立完善的人才激勵機制，爲企業的發展提供有力的人才保障。通過這些措施的實施，傳統鋅空電池行業企業有望在激烈的市場競爭中立于不敗之地。

9.1 氧化鎢在鋅空電池中的應用

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

9.2 二硫化鎢在鋅空電池中的應用

鋅空電池的正極活性物質是空氣中的氧氣，而負極活性物質是金屬鋅。在電池放電過程中，正極的氧氣和負極的鋅會反應生成氧化鋅和水，同時釋放出電能。但是，這個反應是緩慢的，會導致電池放電速率低下。爲了加快這個反應速率，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，是一種具有可調帶隙的半導體材料，其帶隙寬度約爲2.4eV，能够吸收可見光和紫外光，産生電子和空穴對，從而實現光催化反應。此外，二納米硫化鎢的吸收光譜範圍廣，能够吸收可見光甚至近紅外光，進一步擴大了其在光催化領域的應用範圍。

從結構上分析，二硫化鎢具有優异的光學性質和可調控的表面性質。首先，納米WS2是一種半導體材料，其晶體結構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，從而實現對光子的吸收和利用。其次，納米WS2的表面性質可以通過物理或化學方法進行調控。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構，從而影響其光學性質和催化活性。此外，還可以通過摻雜不同金屬或離子來調控表面的化學特性，提高催化活性和選擇性。

作爲催化劑，納米二硫化鎢具有以下優勢：（1）優异的光學性質：納米WS2具有寬的帶隙和優异的吸收光譜範圍，可以吸收可見光和紫外光，産生大量的電子-空穴對，從而實現對光子的高效利用。（2）可調控的表面性質：納米WS2的表面性質可以通過物理或化學方法進行調控，從而實現對催化活性和選擇性的優化。（3）良好的穩定性：納米WS2在高溫、高壓等極端條件下具有良好的穩定性，不易發生分解或失活等現象。（4）環保無毒：WS2是一種環保無毒的材料，不會對環境造成污染。

綜上所述，納米二硫化鎢作爲一種具有優异光學性質和可調控表面性質的半導體材料，在光催化領域具有廣泛的應用前景。同時，由于其良好的穩定性和環保無毒的特點，納米WS2有望成爲未來綠色能源和環保技術領域的重要材料之一。

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的化學電源，具有高能量密度、環保、可再生等優點。在鋅空電池中，催化劑是實現高效能放電的關鍵組成部分。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。優點：貴金屬催化劑具有優异的催化活性和穩定性，能够有效地提高鋅空電池的放電性能。同時，貴金屬催化劑的研究較爲成熟，已經具備了較爲完善的製備和表徵方法。缺點：貴金屬催化劑的成本較高，會大幅增加鋅空電池的成本。此外，貴金屬資源有限，不利于大規模應用。另外，貴金屬催化劑在高溫或高電流密度下可能會發生失活現象。

碳基催化劑是一種較爲環保的催化劑，主要包括石墨烯、碳納米管、活性炭等。優點：碳基催化劑具有成本低、易製備、穩定性好等優點。同時，碳基材料還具有較好的電導率和化學穩定性，能够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保性，有利于在醫療和環保等領域應用。缺點：碳基催化劑的催化活性相對較低，需要進一步優化和提高其催化性能。此外，碳基材料的製備過程中可能會産生一些有害物質，需要加强環保措施。

過渡金屬化合物催化劑是一種較爲廉價的催化劑，主要包括錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）等過渡金屬化合物。優點：過渡金屬化合物催化劑具有較高的催化活性和穩定性，能够有效地促進氧氣和鋅的反應。同時，過渡金屬化合物催化劑的成本相對較低，有利于大規模應用。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：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，該催化劑的電導率較低，可能會影響電池的放電性能。

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、穩定的催化性能。在鋅空電池的反應過程中，納米WS2能够有效地促進氧氣的還原反應，從而加速電池的放電過程。同時，納米WS2還能够提高電池的能量密度和壽命，進一步提高了電池的性能。

其次，納米二硫化鎢作爲一種半導體材料，具有優异的光學性質和可調控的表面性質。在鋅空電池中，納米WS2能够吸收可見光和紫外光，産生電子和空穴對，從而實現光催化反應。此外，納米WS2的表面性質可以通過物理或化學方法進行調控，從而實現對催化活性和選擇性的優化。

此外，納米二硫化鎢還具有優异的穩定性和環保無毒的特點。在高溫、高壓等極端條件下，納米WS2能够保持穩定的催化性能，不易發生分解或失活等現象。同時，納米WS2是一種環保無毒的材料，不會對環境造成污染。

綜上所述，納米二硫化鎢作爲鋅空電池的催化劑，具有高效、穩定、環保無毒等特點。在鋅空電池中，納米WS2能够有效地促進氧氣的還原反應，提高電池的能量密度和壽命。同時，納米WS2還能够實現光催化反應，進一步擴大了其在光催化領域的應用範圍。 

9.1.2 鋅空電池催化劑用納米二硫化鎢的挑戰

9.3 鎢酸鈷在鋅空電池中的應用

9.3.1 鋅空電池催化劑用鎢酸鈷複合材料

9.3.2 鋅空電池催化劑用鎢酸鈷的挑戰

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《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（四）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（三）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，下）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，中）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二，上）》

《鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（一）》