铝空气电池优质循环用废电解液的性质及组成

铝空气电池可作为铝资源高质量循环利用的桥梁。然而，由于对废电解液的了解有限，很难准确地调整回收过程以获得优质的含铝产品。在Hao Cheng的工作中通过实验和理论计算对废电解液的性质和组成进行了探讨。以往的研究提供了广泛的选择，通过操纵各种铝酸盐的转变来加强成核动力学因此，了解铝酸盐配合物的结构以及放电条件对废电解液性能的影响，对铝资源的高质量回收具有重要意义。

图1 铝空气电池介导的铝资源循环过程的说明

图2描绘了在25℃温度下，不同放电电流密度和时间下废电解液的特性和组成。一般来说，pH值对铝酸钠溶液的稳定性有显著影响，主要是因为pH值影响Al(III)形态的发生。4 M NaOH溶液的初始pH值约为14.12，放电后保持在14，说明溶液仍然是强碱性的(图2a)。4 M NaOH溶液的粘度和离子电导率分别为1.79 mPa s和1945.02 mS cm2。

随着放电过程的进行，废电解液中Al(III)含量升高，导致废电解液粘度随放电时间的延长而增加。在较高的电流密度下，由于反应动力学更快，也表现出类似的趋势(图2b)。Al(III)以复杂的铝酸盐离子形式存在，离子半径比Al3+大。此外，离子间的相互作用力随着Al(III)浓度的升高而显著增强。因此，离子的移动速率受到了极大的限制，导致离子电导率下降(图2c)。

同时，由于反应产物的生成速率和扩散速率之间的不平衡，反应速率可能受到电流密度上升的影响。在粘度和离子电导率之间可以观察到电流密度影响的微小差异，如图2b和c所示。

图2 (a) pH值、(b)粘度、(c)离子电导率和(d) - (f)废电解质在25 1C下随电流密度变化的腐蚀性比的变化。

在不同的放电条件下，研究了废电解液的特性和组成。此外，通过理论计算对铝酸盐离子的结构进行了探讨。结果表明:在高碱性条件下，废电解液的粘度随放电电流密度、时间和温度的升高而增大，而离子电导率和腐蚀性明显降低;当电池在25℃下放电时，Al(OH)4为主要的平衡铝酸盐，并与少量的[Al₂O(OH)₆] ₂、[Al₂O(OH)₆] ₄和Al(OH) ₆₃离子共存。

当电流密度不断增大时，废电解液的特性主要受放电时间和温度的影响。在较高的放电温度下，电解液中只有Al(OH)₄。DFT结果还表明，多核铝酸盐离子是由单核铝酸盐离子Al(OH)₄与OH相互作用产生的。本研究对铝空气电池废电解液高效回收铝资源有了深刻的认识。

[1] Phys. Chem. Chem. Phys.,2023, 25, 14038. 

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