陳 星，馬齊林

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000 ；2. 北京北交思遠科技發(fā)展有限公司 北京 100089）

1 鋁空氣電池反應機理

鋁空氣電池反應基本機理為為正極消耗氧氣，負極消耗高純鋁（Al）或以鋁為主體的金屬合金，以氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）等堿性水溶液為電解質，在單體中鋁與氧氣反應的化學能轉化為電能，鋁和氧作用轉化為氧化鋁。在堿性條件的電池反應如下所示。

正極反應為：O2＋2H2O＋4e→4OH-

負極反應為：Al+4OH－-3e→＋2H2O

總反應方程式為：4Al+3O2+4OH-=4KAlO2+2H2O

2 發(fā)熱原因分析

2.1 鋁空單體

鋁空單體由正極膜、負極鋁合金和強堿電解液構成，金屬氧化所產(chǎn)生的化學能轉變成電能。

圖1 鋁空單體電池結構示意圖

當鋁合金的能量完全轉化時，鋁合金的發(fā)電量可達8.1kWh/kg。但鋁跟強堿溶液會在自然條件下發(fā)生反應，其中，鋁負極跟強堿電解液發(fā)生氧化還原反應：

這個反應是直接發(fā)生且一直存在，過程中會釋放大量熱能。由于這個過程不產(chǎn)生電能，且會不斷消耗鋁，所以稱之為副反應。副反應消耗的鋁，沒有參與到電化學反應中，這部分化學能沒有轉化為電能，造成了能量損失，而這些能量中很大一部分都轉化成了熱能。

其次，單體電池的電化學反應的過程中，存在電子的定向流動（既電流）和反應物質的遷移，而每一種物質本身都具有一定的內阻，不同物質間又會產(chǎn)生界面電阻，這些會導致輸出電流時的能量消耗，而這部分消耗的能量絕大部分都轉化為熱能。特別是電解液和正負極之間以及電解液本身的電阻。而且隨著反應進行，電解液中會產(chǎn)生越來越多的氫氧化鋁沉淀，也會溶解越來越多的物質，導致電解液粘度大幅提高，導電率大幅下降，進而增加產(chǎn)熱。

2.2 系統(tǒng)循環(huán)

鋁空系統(tǒng)由電堆、電解液循環(huán)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和BMS組成。

圖2 鋁—空電池系統(tǒng)示意圖

每一個單體電池都必須經(jīng)過電解液不斷循環(huán)沖刷才能持續(xù)反應，所以電解液的液流通道在所有的電池間連接，形成通路，導致相鄰或相近的單體電池間形成回路。每一個單體的電壓勢必會有一定的差異，直接導致單體之間形成電勢差，相互之間自消耗。不僅如此，串聯(lián)數(shù)量越多，處于中間位置的單體消耗越大。而這些消耗所產(chǎn)生的能量，大部分也都轉化成熱量。

3 鋁空電池發(fā)熱測試方法

3.1 測試裝置

鋁空的發(fā)熱來源眾多，且產(chǎn)生的熱能無法直接檢測，但所有的熱能均通過散熱器排放，散熱器通過循環(huán)液體風冷散熱的方式，進行降溫。所以，可以通過監(jiān)測散熱器的散熱性能來測量鋁空的發(fā)熱。鋁空電池的熱量測試需要測量液體流速、進液口溫度、出液口溫度三個數(shù)據(jù)來計算。測試裝置如下圖所示。

圖3 流速測量裝置溫度測量裝置

3.2 測試和計算方法

使用散熱泵，對實際使用的散熱器進行液體循環(huán)，通過超聲波測試儀讀出穩(wěn)定狀態(tài)下的液體流速V；在放電過程中，對散熱器進出液口的溫度進行監(jiān)測，其中進液口為T1，出液口為T2。

據(jù)此可計算得到散熱器的散熱功率，即鋁空的發(fā)熱功率W。其中S為進出液口截面積，C為液體比熱容。

4 發(fā)熱量降低解決方法

鋁空電池由單體組成系統(tǒng)，單體又由正極膜、負極鋁合金和強堿電解液構成。對于發(fā)熱量的解決，主要從鋁-空電池的原理上入手解決。解決方法如下。

4.1 負極

在所有的發(fā)熱源中，鋁板的發(fā)熱量占比是最大的，也是發(fā)熱場所的集中區(qū)域，所以研發(fā)、改進現(xiàn)有鋁合金性能，是最有效途徑之一。

鋁合金發(fā)熱原因主要是副反應，析氫反應會產(chǎn)生大量的熱，同時消耗部分鋁。通過以下方法，降低副反應強度：

（1）在鋁熔煉的過程中，添加適量的其他元素。

（2）選擇合適的成型工藝，包括澆鑄方式、模具大小、冷卻速度等。

（3）選擇有效加工工藝處理，構建合適的微觀結構，得到合適規(guī)格鋁負極。

（4）采用適當?shù)暮笃谔幚砉に嚕M一步提升鋁合金性能，包括熱處理等。

在反應的過程中，添加元素可以大幅壓制鋁的副反應；成型和加工工藝對鋁合金的微觀結構產(chǎn)生直接影響，進一步提升鋁有效利用率及進一步優(yōu)化鋁合金均勻性。

4.2 電解液

在所有電池中，電解液是重要的反應介質，直接關系到電池性能和穩(wěn)定性。對于鋁空電池同樣如此，合適的電解液不僅可以提升正負極反應活性，還可以降低鋁負極副反應、提升電池輸出穩(wěn)定性。通過以下方法，改進電解液：

（1）添加合適的試劑，壓制鋁合金副反應強度，將腐蝕強度降到最低，同時提高電導率，降低單體電池內阻。

（2）調節(jié)電解液合適配方，提升正負極反應活性，包括電流密度、電壓等，從而提升鋁的利用率，間接降低發(fā)熱量。

（3）通過合適的處理方法，把鋁的水合物和沉淀對反應的影響降到最低，保證放電穩(wěn)定性，間接降低沒必要的損耗。

電解液是重要的反應介質，其本身性能的提升都是為了配合負極反應，同時增強其自身穩(wěn)定性。

4.3 正極

正極的反應活性主要由催化劑和載體決定，二者共同影響反應電流密度和電壓，同等電流密度下電壓提升意味著鋁合金利用率提升，所以正極也會影響產(chǎn)熱的多少。通過以下方法，改進正極：

（1）研制高性能催化劑，提升反應電位，使相同功率下的輸出電流降低，從而降低產(chǎn)熱。

（2）改進正極材料，降低正極內阻、增大反應活性點、增強傳質速率。

正極的改進都圍繞著關鍵材料和結構，最終提升反應電位，提升鋁的利用率。

4.4 系統(tǒng)

鋁空電池系統(tǒng)具有一定的特殊性，與氫氧燃料電池、釩液流電池具有一定的類似性，與鉛蓄電池、鋰電池等二次電池差異性較大。其特殊的液流循環(huán)系統(tǒng)，將所有的單體全部連通，導致單體之間相互影響，且電勢差帶來自放電損耗。后期通過以下方法改進：

（1）增大電池之間路徑，減弱相互聯(lián)系。

（2）增強電池一致性。

（3）適當選取合適串聯(lián)數(shù)量，增加單獨水箱設計。

（4）增大單體電池體積，減少電池數(shù)量。

系統(tǒng)的改進是最復雜的，需要各個部分緊密配合、匹配，綜合性極強。最終通過不斷測試，達到合適的標準和穩(wěn)定性。