郭 雷，吳 敏，何建橙,王茂蘭，李長珍,徐 臣

(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油、煤炭等化石資源日益枯竭，迫使人們不斷開發(fā)風(fēng)、太陽能、鋰離子電池等各類新能源材料。其中，金屬—空氣電池具有比能量高、價格便宜、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而備受關(guān)注。鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素(8.3%)，是開發(fā)金屬—空氣電池的理想負(fù)極材料。鋁空氣電池和鋅空氣電池的反應(yīng)類似，但是在轉(zhuǎn)化方面上，可以將燃料內(nèi)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，這和燃料電池有相似之處。在當(dāng)前資源匱乏、環(huán)境日益惡化的情況下，加強(qiáng)對鋁—空氣電池的研究對社會可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[1]。2016 年，四川省德陽市東深新能源科技有限公司與中國鐵塔集團(tuán)簽訂1000臺基站不間斷電源系統(tǒng)(UPS)合同，實(shí)現(xiàn)了鋁空氣電池的商業(yè)化生產(chǎn)。本文對鋁—空氣電池的工作機(jī)理、研究現(xiàn)狀及未來應(yīng)用前景進(jìn)行了剖析。

1 鋁—空氣電池簡介

鋁空氣電池以鋁或鋁合金作為負(fù)極，正極是來自空氣中的氧氣，其正極的量可視為無窮大。電解液有三類：氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)堿性水溶液和NaCl中性鹽溶液。鋁空氣電池的理論能量密度為8100 Wh/kg，屬于一種半燃料電池。在不同的電解質(zhì)中，負(fù)極金屬鋁發(fā)生的溶解反應(yīng)不同[2]。在強(qiáng)堿性電解質(zhì)中鋁發(fā)生的溶解反應(yīng)為：

(1)

在中性溶液中鋁負(fù)極的溶解反應(yīng)為：

Al+3OH--3e-=Al(OH)3

(2)

正極空氣電極通常由氣體擴(kuò)散層、活性催化層和集流體三部分組成，其反應(yīng)通常為：

O2+2H2O+4e-=4OH-

(3)

堿性介質(zhì)中放電總反應(yīng)為：

(4)

中性介質(zhì)中的放電總反應(yīng)為：

4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3

(5)

圖1給出了中性鹽介質(zhì)中鋁空氣電池的工作機(jī)理示意圖。

圖1 中性鹽介質(zhì)中鋁空氣電池工作原理示意圖

2 鋁—空氣電池的特性

鋁空氣電池的負(fù)極活性材料是含量豐富的金屬鋁，正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，正極容量可視無限大，而且鋁空氣電池的廢棄產(chǎn)物可進(jìn)行回收循環(huán)利用，這大大降低了電池成本。鋁空氣電池的負(fù)電極是鋁金屬材料，在使用的過程中可以不斷地更換，因此鋁空氣電池壽命的比一般的電池壽命要長，一般能夠達(dá)到3～4年的時間。鋁空氣電池具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同樣能量的鋁空氣電池總質(zhì)量僅為鉛酸蓄電池質(zhì)量的12%，可以很好的運(yùn)動到汽車行業(yè)中，能很好的減少車身重量[3]。

由于鋁表面有一層致密的氧化鋁膜，當(dāng)膜被破壞后其自腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，會導(dǎo)致負(fù)極電極使用率降低，鋁自腐蝕導(dǎo)致析氫。要解決這一問題，可使鋁合金化，混入具有較高析氫過電位的金屬元素(如Sn)，提高鋁電化學(xué)活性及其抗腐蝕性能。電解液中添加有機(jī)緩蝕劑也是減輕鋁負(fù)極腐蝕的重要途徑[4-5]。

空氣電極擴(kuò)散層主要是由炭黑和聚四氟乙烯乳液制得的具有防止電解液滲漏功能的透氣疏水膜；集流體多采用鎳網(wǎng)或鍍鎳銅網(wǎng)；催化層可由聚四氟乙烯乳液、活性炭黑和催化劑組成。電池放電過程中，催化劑把O2在氣—液—固三相界面上催化還原為氧氣。已研究的氧還原反應(yīng)(ORR)催化劑主要包括貴金屬(如Pt)、金屬有機(jī)螯合物、鈣鈦礦型氧化物(ABO3)、金屬氮化物(如Mn4N)、錳氧化物(如MnO2)五大類[6]。目前空氣電極的研究主要集中在對電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以提高氧的氣相傳質(zhì)速度。

鋁空氣電池也存在一些缺點(diǎn)，限制了其廣泛應(yīng)用[7]。它是一種通過將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在使用過程中不能來回反復(fù)充放電，在進(jìn)行新一輪的反應(yīng)需要更換電極才能繼續(xù)工作，如果作為電池能源的話，操作不是很便利；盡管鋁空氣電池具有較高的比能量，但是在反應(yīng)過程中，比功率較低，放電過程中放電電壓容易滯后，自放電率較大，而且負(fù)極鋁板易出現(xiàn)自腐蝕現(xiàn)象；如果實(shí)際運(yùn)用到電池中，需要采用一些很好的散熱裝置來進(jìn)行過熱，因此，對于鋁空氣電池的研究，應(yīng)用于電池領(lǐng)域，依舊存在很大的挑戰(zhàn)。

3 鋁—空氣電池應(yīng)用前景

鋁空氣電池的應(yīng)用在我們的生活和國防中，有很多成功的實(shí)例的，比如可以作為水下電源、備用電源、救災(zāi)應(yīng)急電源、單兵電源、機(jī)動車的動力電源、軍用無人機(jī)電源等。這些都是近些年通過鋁空氣電池應(yīng)用在我們生活中，通過不斷的研究，不但提高了電池的特性，還延長其使用壽命，降低了其材料成本，而且在不同的裝置領(lǐng)域上，有著不一樣深度的研究，以下是在生活中對鋁空氣電池的研究。

3.1 水下電源

現(xiàn)如今在航海領(lǐng)域，船只的航行的動力基本上都是來自柴油發(fā)電機(jī)居多，因?yàn)槿紵牟裼途哂泻艽蟮哪芰浚鴿撏У膭恿碓匆话闶怯摄U蓄電池提供，而鉛蓄電池在汽車領(lǐng)域使用比較廣泛。對于長時間在水上航行的船只和水下的潛艇而言，由于本身船只重量就占有很大的體積。而且存儲的容量有限，導(dǎo)致其航行時間和距離受到很大的限制。而且鋁空氣電池作為水下電源具有很大的優(yōu)勢，可以以海水作為電解質(zhì)，溶解在海水中的氧氣作為正極，這樣除了鋁電極需要我們自己提供外，其電解液和正極材料都是來自于海水和空氣，而且鋁空氣電池是一種很環(huán)保的電池，反應(yīng)后產(chǎn)物直接排入海洋并不會導(dǎo)致海水有污染，從而造成環(huán)境的惡化。而且，海水中的氧氣并不是很充足，很多時候由于海水中沒有足夠的氧，可能會導(dǎo)致電池的功效不大。因此，我們要設(shè)計一種能和海水有足夠大面積的電極與海水接觸。可以設(shè)計成電纜形狀，以鋁芯作負(fù)極，外層為正極材料，使用時放置在海水中。目前德國使用的以鋁氧燃料電池組成的動力系統(tǒng)使能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 60%以上，可使?jié)撏潞叫欣锍萄娱L一倍。美國也已經(jīng)有鋁空氣電池作為水下電源，用于艦艇、監(jiān)視器、遠(yuǎn)距魚雷和潛水設(shè)施能源的報道。

3.2 備用電源

鋁空氣電池不只是只要直接的電源供應(yīng)，還可以設(shè)計成儲備式電池，將電池的正負(fù)極分開，在激活前可以保持電池的穩(wěn)定數(shù)十年，當(dāng)注入電解液后被激化，其性能穩(wěn)定、噪音低、維護(hù)成本低，可以用作發(fā)電機(jī)組和其他蓄電池的備用電源，可以為無人哨站、邊遠(yuǎn)地區(qū)的通訊設(shè)備提供電力。

3.3 救災(zāi)應(yīng)急電源

鋁空氣電池具有比能量大的特點(diǎn)，可用鹽水作為電解質(zhì)，攜帶和操作方便，適合用作便攜式救災(zāi)應(yīng)急電源。根據(jù)使用的要求不同，可以設(shè)計成不同的功率和結(jié)構(gòu)，可以小到作為一次性的標(biāo)識示警或者做一些標(biāo)識的電源，大到可以給其他便攜電池作為充電電源，都可以使用鋁空氣電池，其比能量能夠達(dá)到Cd-Ni電池或鉛蓄電池的9～15倍。目前，在軍用便攜應(yīng)急電源領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的鋁空氣電池，設(shè)計功率在3.0～3.6 kW，工作時間在8～300 h。

3.4 單兵電源

如今科技的發(fā)展在一定程度上影響著我們的國防和科技的發(fā)展，科技的進(jìn)步不斷地推動著國防裝備的信息化和智能化，與此同時，也增加了設(shè)備對電源的需求和依賴性。以單兵裝備為例，集成了夜視儀、通信裝腎和自適應(yīng)環(huán)境隱身功能的智能頭盔能夠大幅提高單兵作戰(zhàn)能力，軍用電源除了要考慮成本、使用壽命、安全性等因素外，還要考慮其他問題，如電源的熱特征、工作環(huán)境以及在真正的軍事行動上的適應(yīng)性，而且鋁空氣電池具有比能量高，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以林火多樣，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以依據(jù)環(huán)境要求而加以改變，而這類電池具有很大的適應(yīng)隱蔽性，有希望用于單兵裝備電源領(lǐng)域。

3.5 機(jī)電混合車輛動力電源[8]

對于機(jī)電車這類耗能高，體積大，不易偽裝等缺點(diǎn)。為提高輕型裝甲車輛的隱身性和可靠性，發(fā)展混合動力和全電輕型裝甲車輛是發(fā)展趨勢之一，我們可以采用混合傳動系統(tǒng)協(xié)同內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，既可大幅提高峰值的動力輸出，也可以在極低運(yùn)行噪音狀態(tài)下為車載電子設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)單獨(dú)提供動力，可以將其裝入裝甲偵查車和多用途裝甲車中進(jìn)行潛行。電源技術(shù)作為關(guān)鍵部件是制約其發(fā)展的瓶頸技術(shù)，在美國已經(jīng)在對混合動力與全電裝甲車輛進(jìn)行研發(fā)，通過對動力系統(tǒng)的減重提高車輛的機(jī)動性和防護(hù)性能是很重要的，而鋁空氣電池不僅可以給車載電子設(shè)備進(jìn)行供電，而且在各種應(yīng)急條件下也能提供動力輸出，這也是一種很好的動力裝置。鋁空氣電池相比于鋰離子電池具有更高的能量密度，能夠大幅提高車輛的續(xù)航里程。

3.6 軍用無人機(jī)電源

軍用無人機(jī)的機(jī)載電源，要為航空電子控制設(shè)備、啟動引擎和輔助動力裝置武器、導(dǎo)航設(shè)備、武器等提供電力，要求電源性能穩(wěn)定可靠，目前應(yīng)用的機(jī)載電源主要有燃料電池、太陽電池和鋰離子電池。面對科技的進(jìn)步，軍用無人機(jī)在續(xù)航方面的需求也不斷增加，從而動力源的研究便顯得十分重要，為了解決這類問題，科學(xué)家正致力于克服現(xiàn)有電池的局限。為了解決軍用無人機(jī)在續(xù)航能力方面需求的不斷增加，我們更應(yīng)該加大此類研究，讓夢不再是夢，充分展現(xiàn)鋁空氣電池的優(yōu)越性和前沿性。

4 結(jié)語

鋁是一種綠色載能金屬，雖然鋁的冶煉是耗能的，但它的整個生命周期是節(jié)能的，又是可循環(huán)利用的。鋁—空氣電池作為一種清潔能源，本身就具有比能量高、低噪聲等特點(diǎn)。鋁—空氣電池?fù)碛羞m應(yīng)性強(qiáng)的特征，在軍事上便可以很好地顯現(xiàn)其優(yōu)勢，同時，在汽車上面使用該電池也擁有很大的附加值，鋁—空氣電池的開發(fā)對于解決當(dāng)前鋁產(chǎn)能過剩、推廣鋁的應(yīng)用意義重大。鋁—空氣電池目前尚不能被廣泛應(yīng)用，在研發(fā)階段還存在種種困難，這就需要研究者科學(xué)合理地改變電池當(dāng)中的工藝與架構(gòu)，讓該電池盡早地從理論性探討走到產(chǎn)業(yè)化。