趙少寧，李艾華

（第二炮兵工程大學(xué)五系，陜西西安710025）

鋁空氣電池的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

趙少寧，李艾華

（第二炮兵工程大學(xué)五系，陜西西安710025）

鋁空氣電池作為目前金屬空氣燃料電池的研究熱點(diǎn)之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用、可靠和安全更有利于其在電動(dòng)汽車和軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。概述了鋁空氣電池的工作原理和研究現(xiàn)狀。重點(diǎn)介紹了鋁空氣電池工程化應(yīng)用中能達(dá)到的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)形式。

鋁空氣電池；工程化應(yīng)用；設(shè)計(jì)形式

鋁空氣電池是一種將儲(chǔ)存于燃料內(nèi)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，具有比功率和比能量高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié)能、高效率的發(fā)電系統(tǒng)。近年來(lái)，大功率鋁空氣電池在固定電站、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域有了成功的應(yīng)用，同時(shí)由于用戶對(duì)產(chǎn)品需求功能的差異化，針對(duì)不同工況研發(fā)的產(chǎn)品日趨完善。本文概述了鋁空氣電池的工作原理和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了鋁空氣電池工程化應(yīng)用中能達(dá)到的性能指標(biāo)和設(shè)計(jì)形式。

1 鋁空氣電池的工作原理、組成及特點(diǎn)

鋁合金電極（負(fù)極）不斷與電解液中的OH－反應(yīng)，生成Al(OH)4－并放出電子，電子通過(guò)外線路負(fù)載流入空氣電極（正極），空氣電極獲得電子，與水發(fā)生還原反應(yīng)生成OH－?；瘜W(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，鋁電極和氧氣不斷消耗，電子在外線路不斷定向流動(dòng)形成電流而發(fā)電。其中，當(dāng)Al(OH)4－達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)自然生成Al(OH)3。具體化學(xué)反應(yīng)式為：

電解液不同，發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)也不同。不同電解液中電池總的放電反應(yīng)為：

鋁空氣電池的關(guān)鍵部件是鋁合金電極、空氣電極和電解液，其單體電池如圖1所示。

圖1 鋁空氣電池單體示意圖

（1）鋁合金電極：鋁電極電位負(fù)，比能量高、價(jià)格低廉且資源豐富，表1為常見金屬陽(yáng)極材料的性能，鋁陽(yáng)極比容量為2.98Ah/g，僅次于鋰；而其體積比容量為8.05Ah/cm3，高于其他所有金屬材料，是理想的陽(yáng)極材料。但鋁表面易形成致密的氧化膜，在反應(yīng)過(guò)程中得到電子，容易導(dǎo)致電極電位顯著低于理論值，而在活化狀態(tài)下鋁的抗腐蝕性下降，通過(guò)添加比鋁高價(jià)的元素，減小鋁陽(yáng)極的弊端。

（2）空氣電極：由若干層PTFE（聚四氟乙烯）交聯(lián)的防水層和催化層組成?？諝怆姌O不僅是能量轉(zhuǎn)換的反應(yīng)區(qū)，也為氣體的傳輸提供路徑，并隔開電解液。

表1 金屬空氣電池陽(yáng)極材料電化學(xué)性能比較

（3）電解液：鋁空氣電池的電解液分為中性鹽溶液和堿性溶液。實(shí)際應(yīng)用中考慮放電效率，多采用添加錫酸鹽的堿性溶液。堿性介質(zhì)中，鋁陽(yáng)極成流反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物均為膠狀的Al(OH)3，會(huì)降低電解質(zhì)電導(dǎo)率而且增加鋁陽(yáng)極極化，使得鋁電池性能惡化，現(xiàn)有的解決辦法是從反應(yīng)介質(zhì)出發(fā)，在反應(yīng)介質(zhì)中加入催化劑使反應(yīng)產(chǎn)物Al(OH)3轉(zhuǎn)化為可溶于水的Al(OH)4。

從現(xiàn)有的研究成果和電池特性來(lái)分析，鋁空氣電池具有如下特點(diǎn)：

（1）比能量高：鋁空氣電池是一種新型高比能電池，理論比能量可達(dá)到2290 Wh/kg，目前研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)能達(dá)到300～400 Wh/kg，遠(yuǎn)高于當(dāng)今各類電池的比能量。表2為部分金屬空氣電池性能比較。

表2 金屬空氣電池性能比較

（2）比功率中等：由于空氣電極的工作電位遠(yuǎn)離其熱力學(xué)平衡電位，其交換電流密度很小，電池放電時(shí)極化很大，導(dǎo)致電池的比功率只能達(dá)到50～200 W/kg。

（3）使用壽命長(zhǎng)：鋁電極可以不斷更換，因此鋁空氣電池壽命的長(zhǎng)短取決于空氣電極的工作壽命。

（4）無(wú)毒、無(wú)有害氣體產(chǎn)生：電池電化學(xué)反應(yīng)消耗鋁、氧氣和水，生成Al(OH)3，后者是用于污水處理的優(yōu)良沉淀劑。

（5）適應(yīng)性強(qiáng)：電池結(jié)構(gòu)和使用的原材料可根據(jù)實(shí)用環(huán)境和要求而變動(dòng)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性[1-4]。

2 鋁空氣電池的研究現(xiàn)狀

Zaromb和Trevethan于20世紀(jì)60年代證實(shí)了堿性介質(zhì)中鋁空氣電池體系在技術(shù)上的可行性；70年代，集中于電視廣播、航海航標(biāo)燈、礦井照明等小功率鋁空氣電池的研究；80年代，挪威國(guó)防研究所、美國(guó)水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司著手探索將鋁空氣電池應(yīng)用于無(wú)人水下航行器、深海救援艇和AIP潛艇的可能性，其中加拿大Aluminum Power公司采用合金化的鋁陽(yáng)極和有效的空氣電極，將其發(fā)展為安全、可靠的電池體系，比能量在240～400 Wh/kg，比功率達(dá)到22.6 W/kg；90年代后迎來(lái)發(fā)展高潮，美國(guó)能源部曾投資數(shù)百萬(wàn)美元支持勞倫斯-利佛莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）研制代替內(nèi)燃機(jī)的金屬空氣電池，后來(lái)由LLNL和Elecro-dynamics及Dow化學(xué)公司等聯(lián)合組成Voltek公司，開發(fā)出實(shí)用化的動(dòng)力型金屬空氣電池系統(tǒng)VoltekA-2，它是世界上第一個(gè)用來(lái)推動(dòng)電動(dòng)汽車的鋁空氣電池系統(tǒng)。與此同時(shí)，鋁空氣電池在便攜式電源、備用電源、電動(dòng)車電源以及水下推進(jìn)裝置應(yīng)用等方面都獲得了飛速的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)對(duì)于鋁空氣電池的研究起步較晚，只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、湖南大學(xué)和北京有色金屬研究院等在空氣電極、鋁陽(yáng)極方面做了部分工作，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)出1 kW的機(jī)器人用鋁空氣電池組，并進(jìn)行了機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，性能達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)。在相同條件下使用鋁空氣電池的電動(dòng)車輛，成本明顯低于使用鉛酸電池和氫鎳電池的電動(dòng)車。因此，目前的研究主要集中在開發(fā)應(yīng)用于電動(dòng)車輛的鋁空氣電池[4-7]。

鋁空氣電池作為新型電化學(xué)發(fā)電裝置，從國(guó)內(nèi)外研究情況看，除去在材料方面的困難外，還存在電池堆結(jié)構(gòu)和電解液循環(huán)結(jié)構(gòu)等方面制約其工程化應(yīng)用的技術(shù)難題。

3 鋁空氣電池的應(yīng)用和設(shè)計(jì)

根據(jù)用途可將鋁空氣電池分為備用電源、便攜電源、電動(dòng)車電源和水下電源。這里只介紹用作備用電源的鋁空氣電池。

一個(gè)完整的鋁空氣電池系統(tǒng)由動(dòng)力單元、供給單元、電源綜合管理單元等部分組成，如圖2所示。

圖2 鋁空氣電池系統(tǒng)組成圖

（1）動(dòng)力單元：①電池堆：鋁空氣電池單體的電壓很低，大約在1.6V左右，在一定的負(fù)載下，電池單體的輸出電壓通常為1.1～1.3V，這意味著要提供足夠的電壓就必須將多個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)，把單體電池串聯(lián)起來(lái)就是電池堆。電池堆電壓是多個(gè)電池電壓的總和。傳統(tǒng)的金屬空氣電池堆采用雙極板式的堆疊結(jié)構(gòu)。②磷酸鐵鋰電池：它在電池啟動(dòng)時(shí)為系統(tǒng)提供操作電源，電站啟動(dòng)成功運(yùn)行中，采用浮充方式向儲(chǔ)能電池充電；當(dāng)負(fù)載處于峰值功率或鋁空氣電池系統(tǒng)能量不足時(shí)，它加入系統(tǒng)參與能量供應(yīng)。鋁空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 鋁空氣電池結(jié)構(gòu)示意圖

（2）供給單元：①鋁陽(yáng)極供給單元：目前鋁空氣電池的陽(yáng)極供給主要采用機(jī)械更換的方式。機(jī)械更換是一種操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛、可攜帶型強(qiáng)的方式，特別適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)輸不便的狀況，可批量?jī)?chǔ)備。②空氣供給（散熱）單元：空氣供給單元兼做散熱使用，通過(guò)4個(gè)直流調(diào)速風(fēng)扇鼓入外部空氣。電化學(xué)反應(yīng)是放熱過(guò)程。如果熱量產(chǎn)生率太高，電池堆就會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，影響反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)電池堆冷卻不充分會(huì)使電池堆內(nèi)部溫度超出正常的工作溫度范圍，對(duì)電池性能造成壞的影響，因此通過(guò)空氣冷卻和水冷卻（電解液）共同來(lái)控制溫度。③供液（散熱）單元：電解液既是電池電化學(xué)反應(yīng)的載體，又是其參與者。電池工作時(shí)，泵送電解液流經(jīng)正負(fù)極間的空隙到達(dá)各單電池頂端的堰并由各支路回到電解液池，一部分電解液經(jīng)過(guò)熱交換器（冷源是冷卻風(fēng)扇提供的空氣流）進(jìn)行溫度控制。鼓風(fēng)機(jī)使反應(yīng)所需的空氣依次流經(jīng)電解液池周圍的空間、過(guò)濾器、陰極表面，然后排出整個(gè)系統(tǒng)。它通過(guò)機(jī)械更換鋁陽(yáng)極和電解液自循環(huán)的方式進(jìn)行燃料的補(bǔ)充，相當(dāng)于蓄電池的充電。電解液是含有錫酸鹽添加劑的KOH溶液。在電池放電過(guò)程中電解質(zhì)中鋁酸鉀逐漸飽和，最終電解質(zhì)電導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電池?zé)o法提供負(fù)載所需電量，基于總電解質(zhì)體積的電池容量便到了終點(diǎn)。此時(shí)更換電解質(zhì)，電池又可以繼續(xù)放電直至鋁陽(yáng)極耗盡。圖4為電解液循環(huán)工作示意圖。

圖4 電解液循環(huán)工作示意圖

（3）電池綜合管理單元：電池運(yùn)行管理單元包括電池運(yùn)行控制部分、電堆檢測(cè)和反饋部分、電力輸出部分。①電堆檢測(cè)及反饋部分包括溫度、電壓、電流、報(bào)警等傳感器，它通過(guò)在電池的關(guān)鍵位置安裝不同的傳感器實(shí)現(xiàn)電池堆信息的及時(shí)反饋；②電池運(yùn)行控制部分包括溫度控制單元、水位控制、電壓控制、電流控制、功率調(diào)節(jié)與控制、報(bào)警處理、元器件自檢及控制等；③電力輸出部分主要包括電壓、電流、功率轉(zhuǎn)變單元（由DC/DC、DC/AC等電流電壓轉(zhuǎn)變單元組成）和電壓、電流、功率補(bǔ)償單元（磷酸鐵鋰電池）[8-11]。

4 結(jié)論

（1）鋁是一種高強(qiáng)度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。在當(dāng)前資源匱乏、環(huán)境日益惡化的情況下，作為備用電源的鋁空氣電池性能穩(wěn)定、維護(hù)成本低廉，頗具吸引力，外加其運(yùn)行時(shí)低噪音、低消耗、無(wú)污染、無(wú)廢氣產(chǎn)生等特點(diǎn)，鋁空氣電池的研究對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

（2）基于鋁空氣電池適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)用要求設(shè)計(jì)成開放式或者封閉式，但組裝的復(fù)雜性可能會(huì)阻礙其發(fā)展，應(yīng)該合理地改善工藝和電池結(jié)。從電池體結(jié)構(gòu)出發(fā)，改善電池透氣和排液結(jié)構(gòu)；在電解液循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中避免連液?jiǎn)栴}以及改善沉淀物處理，將使得鋁空氣電池取得進(jìn)一步的發(fā)展。

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Research and application prospects of aluminum air batteries

ZHAO Shao-ning，LIAi-hua

The research ofAluminumAir Fuel Cell was one of research focus for currentmetal-air battery,in which the structure design of fuel cell stack with practical applicability,reliability and safety would facilitate its wide application in fields such as electric vehicles,andmilitary combat etc.The operating principle and research process of the aluminum-air battery were summarized.The attainable performance and design in the form of aluminum-air battery engineering applications weremainly introduced.

aluminum-air battery;engineering applications;design form

TM 911

A

1002-087 X(2014)10-1969-03

2014-03-10

趙少寧(1989—)，男，陜西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇X空氣燃料電池管理。