鋁空氣電池技術(shù)在國防軍工領(lǐng)域應(yīng)用分析

祝樹生，李志國，王小輝，解春雷

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

鋁空氣電池技術(shù)在國防軍工領(lǐng)域應(yīng)用分析

祝樹生，李志國，王小輝，解春雷

(中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

鋁空氣電池作為新型的燃料電池，具有比能量高、無毒、無污染、內(nèi)阻小、貯存壽命長等特點，目前主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。結(jié)合鋁空氣電池技術(shù)特點和發(fā)展情況，介紹了鋁空氣電池技術(shù)在國防軍工領(lǐng)域的應(yīng)用，并對鋁空氣電池的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析。

鋁空氣電池；國防軍工；應(yīng)用分析

鋁空氣電池是以空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，鋁合金為負極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣通過氣體擴散電極到達化學反應(yīng)界面，與鋁反應(yīng)，放出電能。鋁空氣電池具有無毒、無污染、比能量高、內(nèi)阻小、貯存壽命長、價格相對便宜、工藝技術(shù)要求較低及能再生利用等優(yōu)點[1]。鋁空氣電池作為非充電電池，早在20世紀60年代便已問世，但由于其放電過程中陽極腐蝕會產(chǎn)生氫，這不僅會導(dǎo)致陽極材料的過度消耗，而且還會增加電池內(nèi)部的電學損耗，因此其商業(yè)化進程較慢[2]。

1 鋁空氣電池工作原理

鋁空氣電池的負極是鋁合金，它在放電過程中溶解，生成Al(OH)3；正極是多孔性氧電極，跟氫氧燃料電池的氧電極相同，電池放電時，從外界進入電極的氧(空氣)發(fā)生電化學反應(yīng)而釋放出電能，生成OH-。電解液可分為兩種：一種為中性溶液或鹽性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)；另一種是堿性溶液。因而可以認為鋁空氣電池是半個燃料電池。鋁是一種活性金屬，它比鋅、鋰和鐵之類的金屬更吸引人，它具有高的比能量，高的比功率密度。鋁空氣電池總的放電反應(yīng)為：

鹽性電解液和堿性電解液電池的不同之處主要體現(xiàn)在電壓和反應(yīng)物兩個方面。從可充電性來看，該電池可分為一次電池和可機械充電的二次電池(即更換鋁負極)。正極使用的氧化劑，可因電池工作環(huán)境不同而異。電池在陸地上工作時使用空氣；在水下工作時可使用液氧、壓縮氧、過氧化氫或水中溶解的氧。圖1為鋁空氣電池工作原理圖。

圖1 鋁空氣電池工作原理圖

2 鋁空氣電池特點

(1)比能量高。電池理論比能量可達2 290 Wh/kg，目前實際上已經(jīng)達到300～400 Wh/kg。這一數(shù)值遠高于其他各種電池。

(2)比功率中等。達到50～200 W/kg，這一特性顯然是由氧電極所決定的。因為氧電極的工作電位遠離其熱力學平衡電位，其交換電流密度很小，電池放電時極化很大，所以氫氧燃料電池的比功率不高。

(3)使用壽命達到3～4年。這也取決于氧電極的工作壽命，因為鋁電極是可以不斷更換的。

(4)充電時間短。只需數(shù)分鐘便可完成，傳統(tǒng)電池需要數(shù)小時才能完成。

(5)無毒、無有害氣體，不污染環(huán)境。電池反應(yīng)消耗鋁、氧和水，生成Al(OH)3。后者是目前用于污水處理的優(yōu)異沉淀劑。

(6)可設(shè)計成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)型式，便于根據(jù)不同的使用場合進行設(shè)計。不循環(huán)電解液電池結(jié)構(gòu)簡單，正極在最外面，負極在中間，電解液在最里面。循環(huán)電解液的機械充電電池的廢電解液和廢負極更換起來比較容易，可使負極總是保持較高的效率。

(7)鋁資源豐富，原料充足。我國鋁資源比較豐富，開發(fā)和生產(chǎn)該種電池不存在原料供不應(yīng)求的問題。

3 鋁空氣電池的研究進展

加拿大美鋁公司(Alcoa)和以色列公司Phinergy、Voltek公司及其合作伙伴在開發(fā)鋁空氣電池方面做了大量的研究工作，取得了很大進展[3-4]。Phinergy公司目前已開發(fā)出一種金屬鋁陽極專用生產(chǎn)工藝，該工藝可以提高金屬鋁的能力利用，并降低不必要的化學反應(yīng)能量消耗。Phinergy公司還表示，其還開發(fā)了一套先進的電池管理系統(tǒng)，目的是為了提高電池的能量利用。Phinergy鋁空氣電池的空氣陰極配備有專用銀基催化劑，其采用了獨特的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使氧氣順利通過，而將二氧化碳阻隔在外。通過該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，Phinergy鋁空氣電池的空氣陰極可以有效避免電極的碳化問題，其工作壽命也因此可以達到數(shù)千小時。Phinergy鋁空氣電池工作時，其內(nèi)部的金屬鋁反應(yīng)變?yōu)闅溲趸X。而氫氧化鋁可以經(jīng)過鋁廠加工進行回收利用，這樣便可以實現(xiàn)可重復(fù)利用。

Voltek公司則對整個電池系統(tǒng)和部件作了進一步的改進，制成了Voltek Fuel Pak型鋁空氣燃料電池系統(tǒng)，不但提高了電池的輸出特性，延長了使用壽命，簡化了使用維護程序。采用了鋁合金負極，電池體系輸出比能量達到 300～400 Wh/kg，且該電池既可以適用鋁又可以適用鋅，改變了過去只能適用一種金屬的設(shè)計。Voltek Fuel Pak型電池加入了系統(tǒng)工作狀態(tài)自動控制功能，升溫啟動、工作時的溫度、電壓調(diào)整等均采用微處理器進行邏輯控制，并且有自動防止故障特性的功能。鋁負極由使用99.999%超純鋁改為使用不含鐵的99.9%化學鋁，降低了成本。

4 航天領(lǐng)域電池技術(shù)的整體水平狀況分析

4.1 鋅銀電池

鋅銀電池從20世紀60年代開始至今已在我國多個型號上使用，其比能量為200 Wh/kg，其設(shè)計技術(shù)和工藝技術(shù)都很成熟，環(huán)境適應(yīng)性較高，電壓輸出穩(wěn)定。該類電池工作需要在一定溫度下，當溫度低于20℃，在沒有加熱措施情況下，初始加載大電流會存在電壓低頭，有可能出現(xiàn)不滿足使用要求的現(xiàn)象。鋅銀電池主要應(yīng)用于機動性、可靠性、安全性要求較高，工作時間較長的場合，目前已在衛(wèi)星及導(dǎo)彈武器上廣泛使用。

4.2 鋰離子電池

鋰離子電池是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子化合物組成。鋰離子電池能量密度典型值(電池芯)僅150～240 Wh/kg，使用壽命一般可達到5年以上。該類電池技術(shù)成熟，可靠性高，低溫放電能力高，目前已在我國航天、航空、航海、電子、兵器等多個領(lǐng)域廣泛使用。

4.3 氫鎳電池

高壓氫鎳電池是把傳統(tǒng)的鎘鎳電池的鎳電極與燃料電池的催化氫電極結(jié)合在一起而組成的化學電源體系。由于電池中的負極活性物質(zhì)氫是以氣態(tài)氫氣的形式存在，因此高壓氫鎳電池必須在一個密閉的壓力容器中才能工作，能量密度通常為40～60 Wh/L。由于鎳電極和氫電極具有極強的使用壽命，因此高壓氫鎳電池是使用壽命最長的化學電源體系，同時具有極強的耐過充電及過放電特性，可靠性高，耐用性好。

4.4 熱電池

熱電池是一種熔融鹽電解質(zhì)貯備電池，在常溫下電解質(zhì)是不導(dǎo)電的固體，使用時通過撞擊火帽或點燃電發(fā)火頭，引燃單元熱電池內(nèi)部的煙火熱源，使電解質(zhì)熔融，激活熱電池組，從而提供用電設(shè)備所需的電流和電壓。比能量達到50 Wh/kg，比功率達到2 500 W/kg。熱電池具有激活時間短、可任意角度激活、貯存時間長的特點，其主要應(yīng)用在機動性要求高，工作時間短，瞬間工作電流大的場合，目前已在我國多個導(dǎo)彈武器型號使用。

4.5 小結(jié)

從各種類型的星/彈上電池特點看，其比能量密度、可靠性和安全性是電池成敗的關(guān)鍵特點，截止目前鋁空氣電池的實際比能量雖然只達到350 Wh/kg，但已是鉛酸電池的1.8倍、氫鎳電池的5.8倍、鋰電池的2.3倍，從比能量角度看已經(jīng)很高。由于屬于新技術(shù)，所以其安全性和可靠性需要進一步加強。

5 應(yīng)用分析

由于鋁空氣電池結(jié)構(gòu)的可變性，針對返回式或重復(fù)使用式航天飛行器如返回艙或可重復(fù)使用火箭，通過將空氣直接替換為預(yù)置氧氣的方式來完成電源轉(zhuǎn)換。對于一次性飛行器如導(dǎo)彈、衛(wèi)星等可設(shè)計成封閉式結(jié)構(gòu)。

在航海領(lǐng)域，目前水面船只航行時的動力基本靠柴油發(fā)電機組提供，潛艇水下航行時則完全由鉛酸蓄電池組提供動力。對于長時間在海上航行的潛艇和船只，由于其柴油存儲和鉛酸蓄電池組的容量有限，其航行時間和距離就受到了較大限制。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60%以上，可使?jié)撏潞叫欣锍萄娱L一倍。

在地面作戰(zhàn)領(lǐng)域，我國軍隊使用的地面大型車輛、作戰(zhàn)坦克、運兵車等均采用柴油發(fā)動機，在地面運動過程中紅外特性較大，而且受限于油箱容積，其機動距離受限。如果采用鋁空氣電池后，其紅外特性會有顯著下降，機動距離會變?yōu)楝F(xiàn)在的2倍以上。

6 結(jié)束語

由于我國具有豐富的鋁資源，并且鋁是開發(fā)電池的理想電極材料，其放電過程的產(chǎn)物不會對環(huán)境等造成污染，具有安全、環(huán)保、造價低、質(zhì)量輕、體積小和比能量高等優(yōu)點，因此鋁空氣電池在我國國防領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]ROGER A P.The aluminum air battery[J].Light Metal Age,2000, 58(3/4):108-110.

[2]任志偉，周德璧，屠賽琦.鋁空氣電池陰極材料的制備及電性能[J].電源技術(shù)，2007,31(9):706-708.

[3]桂長清.鋁空氣電池的前景[J].電池，2002,32(5)：305-307.

[4]王振波，尹鴿平，史鵬飛.鋁電池用合金陽極的研究進展[J].電池，2003,33(1):41-43.

Application of aluminum air battery in high-tech defense industry

As a new-fashioned fuel cells,aluminum air battery had many advantages such as high power and energy density,nontoxic,non-polluting,long life,also they played an important part in industry.Combined with performances and development of the aluminum air battery, the application of aluminum air battery in the high-tech defense industry was reviewed,and the key technology and the development status were analyzed.

aluminum air battery;national defense;analysis of application

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2316-02

2015-03-27

祝樹生(1984—)，男，山西省人，工程師，主要研究方向為電氣系統(tǒng)總體設(shè)計。