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之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用、可靠和安全更有利于其在電動汽車和軍事作戰(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。重點介紹了鋁空氣電池工程化應(yīng)用中能達到的性能指標和設(shè)計形式。

鋁空氣電池；工程化應(yīng)用；設(shè)計形式

鋁空氣電池是一種將儲存于燃料內(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、壽命長等優(yōu)點，是一種環(huán)保節(jié)能、高效率的發(fā)電系統(tǒng)。近年來，大功率鋁空氣電池在固定電站、電動汽車等領(lǐng)域有了成功的應(yīng)用，同時由于用戶對產(chǎn)品需求功能的差異化，針對不同工況研發(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，重點介紹了鋁空氣電池工程化應(yīng)用中能達到的性能指標和設(shè)計形式。

1 鋁空氣電池的工作原理、組成及特點

鋁合金電極（負極）不斷與電解液中的OH－反應(yīng)，生成Al(OH)4－并放出電子，電子通過外線路負載流入空氣電極（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)進行，鋁電極和氧氣不斷消耗，電子在外線路不斷定向流動形成電流而發(fā)電。其中，當Al(OH)4－達到一定濃度時，會自然生成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，比能量高、價格低廉且資源豐富，表1為常見金屬陽極材料的性能，鋁陽極比容量為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，是理想的陽極材料。但鋁表面易形成致密的氧化膜，在反應(yīng)過程中得到電子，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，通過添加比鋁高價的元素，減小鋁陽極的弊端。

（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，鋁陽極成流反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物均為膠狀的Al(OH)3，會降低電解質(zhì)電導(dǎo)率而且增加鋁陽極極化，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分析，鋁空氣電池具有如下特點：

（1）比能量高：鋁空氣電池是一種新型高比能電池，理論比能量可達到2290 Wh/kg，目前研發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)能達到300～400 Wh/kg，遠高于當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離其熱力學(xué)平衡電位，其交換電流密度很小，電池放電時極化很大，導(dǎo)致電池的比功率只能達到50～200 W/kg。

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

（4）無毒、無有害氣體產(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：電池結(jié)構(gòu)和使用的原材料可根據(jù)實用環(huán)境和要求而變動，具有很強的適應(yīng)性[1-4]。

2 鋁空氣電池的研究現(xiàn)狀

Zaromb和Trevethan于20世紀60年代證實了堿性介質(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、航海航標燈、礦井照明等小功率鋁空氣電池的研究；80年代，挪威國防研究所、美國水下武器研究中心、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，比功率達到22.6 W/kg；90年代后迎來發(fā)展高潮，美國能源部曾投資數(shù)百萬美元支持勞倫斯-利佛莫國家實驗室（LLNL）研制代替內(nèi)燃機的金屬空氣電池，后來由LLNL和Elecro-dynamics及Dow化學(xué)公司等聯(lián)合組成Voltek公司，開發(fā)出實用化的動力型金屬空氣電池系統(tǒng)VoltekA-2，它是世界上第一個用來推動電動汽車的鋁空氣電池系統(tǒng)。與此同時，鋁空氣電池在便攜式電源、備用電源、電動車電源以及水下推進裝置應(yīng)用等方面都獲得了飛速的發(fā)展。

國內(nèi)對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的機器人用鋁空氣電池組，并進行了機器人樣機實驗，性能達到了其設(shè)計指標。在相同條件下使用鋁空氣電池的電動車輛，成本明顯低于使用鉛酸電池和氫鎳電池的電動車。因此，目前的研究主要集中在開發(fā)應(yīng)用于電動車輛的鋁空氣電池[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

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

一個完整的鋁空氣電池系統(tǒng)由動力單元、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電池串聯(lián)起來，把單體電池串聯(lián)起來就是電池堆。電池堆電壓是多個電池電壓的總和。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：它在電池啟動時為系統(tǒng)提供操作電源，電站啟動成功運行中，采用浮充方式向儲能電池充電；當負載處于峰值功率或鋁空氣電池系統(tǒng)能量不足時，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鋁陽極供給單元：目前鋁空氣電池的陽極供給主要采用機械更換的方式。機械更換是一種操作簡單、應(yīng)用廣泛、可攜帶型強的方式，特別適用于偏遠地區(qū)運輸不便的狀況，可批量儲備。②空氣供給（散熱）單元：空氣供給單元兼做散熱使用，通過4個直流調(diào)速風(fēng)扇鼓入外部空氣。電化學(xué)反應(yīng)是放熱過程。如果熱量產(chǎn)生率太高，電池堆就會出現(xiàn)過熱，影響反應(yīng)的進行。對電池堆冷卻不充分會使電池堆內(nèi)部溫度超出正常的工作溫度范圍，對電池性能造成壞的影響，因此通過空氣冷卻和水冷卻（電解液）共同來控制溫度。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，泵送電解液流經(jīng)正負極間的空隙到達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)過熱交換器（冷源是冷卻風(fēng)扇提供的空氣流）進行溫度控制。鼓風(fēng)機使反應(yīng)所需的空氣依次流經(jīng)電解液池周圍的空間、過濾器、陰極表面，然后排出整個系統(tǒng)。它通過機械更換鋁陽極和電解液自循環(huán)的方式進行燃料的補充，相當于蓄電池的充電。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法提供負載所需電量，基于總電解質(zhì)體積的電池容量便到了終點。此時更換電解質(zhì)，電池又可以繼續(xù)放電直至鋁陽極耗盡。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：電池運行管理單元包括電池運行控制部分、電堆檢測和反饋部分、電力輸出部分。①電堆檢測及反饋部分包括溫度、電壓、電流、報警等傳感器，它通過在電池的關(guān)鍵位置安裝不同的傳感器實現(xiàn)電池堆信息的及時反饋；②電池運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、功率補償單元（磷酸鐵鋰電池）[8-11]。

4 結(jié)論

（1）鋁是一種高強度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。在當前資源匱乏、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、維護成本低廉，頗具吸引力，外加其運行時低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產(chǎn)生等特點，鋁空氣電池的研究對于可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

（2）基于鋁空氣電池適應(yīng)性強的特點，其結(jié)構(gòu)可根據(jù)實用要求設(shè)計成開放式或者封閉式，但組裝的復(fù)雜性可能會阻礙其發(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)計過程中避免連液問題以及改善沉淀物處理，將使得鋁空氣電池取得進一步的發(fā)展。

[1]劉小鋒.鋁空氣動力電池發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題[J].新材料產(chǎn)業(yè), 2013(7):61-65.

[2]黃瑞霞,朱新功,王敏,等.UUV用鋁氧電池[J].電源技術(shù),2009,33 (5):430-433.

[3]SHKOLNIKOV E I,ZHUKA Z,VLASKIN M S.Aluminum as energy carrier:feasibility analysis and current technologies overview [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2011,15(9): 4611-4623.

[4]馬正青,左列,龐旭.鋁電池研究進展[J].船電技術(shù),2008,28(5): 257-261.

[5]SOLOVEICHIK G L,LEMMON J P.Primary aluminumhydride battery:US,US8304121B2[P].2012-11-02.

[6]鞠克江,劉長瑞,唐長斌,等.鋁空氣電池的研究進展及應(yīng)用前景[J].電池,2009,39(1):50-52.

[7]唐有根,韓紅濤,盧凌彬.鋁-空氣燃料電池的研究進展[C]//中國國際電池學(xué)術(shù)交流會論文集.北京:科學(xué)出版社,2009:1437-1440.

[8]黃瑞霞,朱新功.鋁空氣電池的應(yīng)用及設(shè)計[J].電池工業(yè),2009,14 (1):60-64.

[9]施皮格爾.燃料電池設(shè)計與制造[M].馬欣,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[10]SMOLJKO,IVANA.Electrochemical properties of aluminium anodes forAl/air batteries with aqueous sodium chloride electrolyte [J].Journal ofApplied Electrochemistry,2012,42(11):969-977.

[11]WANG H Z,LEUNG D Y C,LEUNG M K H.Energy analysis ofhydrogen and electricity production from aluminum-based processes[J].Applied Energy,2012,90(1):100-105.

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，主要研究方向為鋁空氣燃料電池管理。