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舰船装备

美海军研究实验室展示海水制油和锌基电池技术

发布日期: 2021-09-07 来源:周宏达 马晓晨 蓝海星智库 访问量:



8月2日,2021年海空天博览会在美国马里兰州开幕,此次博览会为期3天,共有来自57个国家的337家企业和科研机构参展,包括:亨廷顿英格尔斯工业公司、通用动力公司、诺格公司、L3哈里斯公司等全球知名防务公司。期间,美海军研究实验室展示了 海水合成燃料 先进锌基电池 2项能源与动力技术。

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一、研发背景
海水合成燃料技术是美海军研究实验室持续关注的技术方向。早在2001年,美海军研究实验室就开始对海水合成燃料的可行性进行评估,2012年再次对海水合成燃料的技术可行性和燃料合成成本进行了分析评估。先进锌基电池则是美海军研究实验室重点关注的又一技术方向,重点研究电池负极材料,解决电池形成锌金属枝晶问题。
二、原理内涵
(一) 海水合成燃料技术
美国海水合成燃料系统利用海水 酸化 电解和二氧化碳催化合成两个步骤,合成燃料。
1、海水酸化电解,同时制取二氧化碳和氢气
海水酸化电解装置采用三槽设计(阳极槽、阴极槽、中央槽),通过调节电流,可同时制取氢气和二氧化碳,不额外使用电解水系统。通过电解,在阴极槽得到氢气,阳极槽得到氧气;中央槽与阴、阳极槽间利用离子交换膜和阳离子交换树脂分隔阴阳离子,形成pH值小于6的酸化海水,通过海水加压获得二氧化碳。
2、二氧化碳催化合成,形成C 9 C 16 燃料
美国海军研究实验室提出了烯烃催化合成、费托合成两条合成C9C16燃料的方法。目前,海军研究实验室采用烯烃催化合成的技术路线,仅利用费托合成反应器验证大型反应器环境对反应动力学的影响。
烯烃催化合成路线包括两步反应:第一步是二氧化碳在铁/锰/铝基催化剂作用下,与氢气反应形成短链烯烃(C 2 C 6 );第二步是短链烯烃在固体酸催化剂作用下合成C9C16燃料。美海军研究实验室已在OxEon能源公司的商用模块化反应器中,使用重6.09千克的催化剂,对这条技术路线进行了大规模验证。
(二) 先进 锌基 电池技术
与锂基电池相比,锌基电池具有安全性高、成本低的优点,但锌基电池在充放电循环过程中会析出 锌金属枝晶 ,刺穿电池电极之间的隔膜,导致短路故障。为此,需要对锌基电池电极进行优化设计,使其具备多孔结构。
美海军研究实验室提出的先进锌基电池以NiOOH为正极材料,为抑制电池形成锌金属枝晶,研究人员在锌粉中加入了水和油状有机溶剂组成的混合物,在特殊模具中加热干燥后形成均匀多孔的海绵状负极材料。新型负极材料在放电过程中可发生均一的反应,避免电池形成锌金属枝晶。
三、应用前景
这两种技术有望为未来舰艇与航空平台动力能源带来新的发展机遇,但目前技术成熟度较低,距离实际应用仍有较长距离。

(蓝海星:周宏达 马晓晨)



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