铝空气电池的研究现状和应用前景

赵少宁，李艾华

（第二炮兵工程大学五系，陕西西安710025）

铝空气电池的研究现状和应用前景

赵少宁，李艾华

（第二炮兵工程大学五系，陕西西安710025）

铝空气电池作为目前金属空气燃料电池的研究热点之一，其结构设计的实用、可靠和安全更有利于其在电动汽车和军事作战等领域的广泛应用。概述了铝空气电池的工作原理和研究现状。重点介绍了铝空气电池工程化应用中能达到的性能指标和设计形式。

铝空气电池；工程化应用；设计形式

铝空气电池是一种将储存于燃料内的化学能直接转换为电能的发电装置，具有比功率和比能量高、寿命长等优点，是一种环保节能、高效率的发电系统。近年来，大功率铝空气电池在固定电站、电动汽车等领域有了成功的应用，同时由于用户对产品需求功能的差异化，针对不同工况研发的产品日趋完善。本文概述了铝空气电池的工作原理和研究现状，重点介绍了铝空气电池工程化应用中能达到的性能指标和设计形式。

1 铝空气电池的工作原理、组成及特点

铝合金电极（负极）不断与电解液中的OH－反应，生成Al(OH)4－并放出电子，电子通过外线路负载流入空气电极（正极），空气电极获得电子，与水发生还原反应生成OH－。化学反应持续进行，铝电极和氧气不断消耗，电子在外线路不断定向流动形成电流而发电。其中，当Al(OH)4－达到一定浓度时，会自然生成Al(OH)3。具体化学反应式为：

电解液不同，发生的电化学反应也不同。不同电解液中电池总的放电反应为：

铝空气电池的关键部件是铝合金电极、空气电极和电解液，其单体电池如图1所示。

图1 铝空气电池单体示意图

（1）铝合金电极：铝电极电位负，比能量高、价格低廉且资源丰富，表1为常见金属阳极材料的性能，铝阳极比容量为2.98Ah/g，仅次于锂；而其体积比容量为8.05Ah/cm3，高于其他所有金属材料，是理想的阳极材料。但铝表面易形成致密的氧化膜，在反应过程中得到电子，容易导致电极电位显著低于理论值，而在活化状态下铝的抗腐蚀性下降，通过添加比铝高价的元素，减小铝阳极的弊端。

（2）空气电极：由若干层PTFE（聚四氟乙烯）交联的防水层和催化层组成。空气电极不仅是能量转换的反应区，也为气体的传输提供路径，并隔开电解液。

表1 金属空气电池阳极材料电化学性能比较

（3）电解液：铝空气电池的电解液分为中性盐溶液和碱性溶液。实际应用中考虑放电效率，多采用添加锡酸盐的碱性溶液。碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应产物均为胶状的Al(OH)3，会降低电解质电导率而且增加铝阳极极化，使得铝电池性能恶化，现有的解决办法是从反应介质出发，在反应介质中加入催化剂使反应产物Al(OH)3转化为可溶于水的Al(OH)4。

从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：

（1）比能量高：铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到2290 Wh/kg，目前研发的产品已经能达到300～400 Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。表2为部分金属空气电池性能比较。

表2 金属空气电池性能比较

（2）比功率中等：由于空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电时极化很大，导致电池的比功率只能达到50～200 W/kg。

（3）使用寿命长：铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。

（4）无毒、无有害气体产生：电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al(OH)3，后者是用于污水处理的优良沉淀剂。

（5）适应性强：电池结构和使用的原材料可根据实用环境和要求而变动，具有很强的适应性[1-4]。

2 铝空气电池的研究现状

Zaromb和Trevethan于20世纪60年代证实了碱性介质中铝空气电池体系在技术上的可行性；70年代，集中于电视广播、航海航标灯、矿井照明等小功率铝空气电池的研究；80年代，挪威国防研究所、美国水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司着手探索将铝空气电池应用于无人水下航行器、深海救援艇和AIP潜艇的可能性，其中加拿大Aluminum Power公司采用合金化的铝阳极和有效的空气电极，将其发展为安全、可靠的电池体系，比能量在240～400 Wh/kg，比功率达到22.6 W/kg；90年代后迎来发展高潮，美国能源部曾投资数百万美元支持劳伦斯-利佛莫国家实验室（LLNL）研制代替内燃机的金属空气电池，后来由LLNL和Elecro-dynamics及Dow化学公司等联合组成Voltek公司，开发出实用化的动力型金属空气电池系统VoltekA-2，它是世界上第一个用来推动电动汽车的铝空气电池系统。与此同时，铝空气电池在便携式电源、备用电源、电动车电源以及水下推进装置应用等方面都获得了飞速的发展。

国内对于铝空气电池的研究起步较晚，只有哈尔滨工业大学、天津大学、湖南大学和北京有色金属研究院等在空气电极、铝阳极方面做了部分工作，其中哈尔滨工业大学研发出1 kW的机器人用铝空气电池组，并进行了机器人样机实验，性能达到了其设计指标。在相同条件下使用铝空气电池的电动车辆，成本明显低于使用铅酸电池和氢镍电池的电动车。因此，目前的研究主要集中在开发应用于电动车辆的铝空气电池[4-7]。

铝空气电池作为新型电化学发电装置，从国内外研究情况看，除去在材料方面的困难外，还存在电池堆结构和电解液循环结构等方面制约其工程化应用的技术难题。

3 铝空气电池的应用和设计

根据用途可将铝空气电池分为备用电源、便携电源、电动车电源和水下电源。这里只介绍用作备用电源的铝空气电池。

一个完整的铝空气电池系统由动力单元、供给单元、电源综合管理单元等部分组成，如图2所示。

图2 铝空气电池系统组成图

（1）动力单元：①电池堆：铝空气电池单体的电压很低，大约在1.6V左右，在一定的负载下，电池单体的输出电压通常为1.1～1.3V，这意味着要提供足够的电压就必须将多个电池串联起来，把单体电池串联起来就是电池堆。电池堆电压是多个电池电压的总和。传统的金属空气电池堆采用双极板式的堆叠结构。②磷酸铁锂电池：它在电池启动时为系统提供操作电源，电站启动成功运行中，采用浮充方式向储能电池充电；当负载处于峰值功率或铝空气电池系统能量不足时，它加入系统参与能量供应。铝空气电池结构示意图如图3所示。

图3 铝空气电池结构示意图

（2）供给单元：①铝阳极供给单元：目前铝空气电池的阳极供给主要采用机械更换的方式。机械更换是一种操作简单、应用广泛、可携带型强的方式，特别适用于偏远地区运输不便的状况，可批量储备。②空气供给（散热）单元：空气供给单元兼做散热使用，通过4个直流调速风扇鼓入外部空气。电化学反应是放热过程。如果热量产生率太高，电池堆就会出现过热，影响反应的进行。对电池堆冷却不充分会使电池堆内部温度超出正常的工作温度范围，对电池性能造成坏的影响，因此通过空气冷却和水冷却（电解液）共同来控制温度。③供液（散热）单元：电解液既是电池电化学反应的载体，又是其参与者。电池工作时，泵送电解液流经正负极间的空隙到达各单电池顶端的堰并由各支路回到电解液池，一部分电解液经过热交换器（冷源是冷却风扇提供的空气流）进行温度控制。鼓风机使反应所需的空气依次流经电解液池周围的空间、过滤器、阴极表面，然后排出整个系统。它通过机械更换铝阳极和电解液自循环的方式进行燃料的补充，相当于蓄电池的充电。电解液是含有锡酸盐添加剂的KOH溶液。在电池放电过程中电解质中铝酸钾逐渐饱和，最终电解质电导率降低，导致电池无法提供负载所需电量，基于总电解质体积的电池容量便到了终点。此时更换电解质，电池又可以继续放电直至铝阳极耗尽。图4为电解液循环工作示意图。

图4 电解液循环工作示意图

（3）电池综合管理单元：电池运行管理单元包括电池运行控制部分、电堆检测和反馈部分、电力输出部分。①电堆检测及反馈部分包括温度、电压、电流、报警等传感器，它通过在电池的关键位置安装不同的传感器实现电池堆信息的及时反馈；②电池运行控制部分包括温度控制单元、水位控制、电压控制、电流控制、功率调节与控制、报警处理、元器件自检及控制等；③电力输出部分主要包括电压、电流、功率转变单元（由DC/DC、DC/AC等电流电压转变单元组成）和电压、电流、功率补偿单元（磷酸铁锂电池）[8-11]。

4 结论

（1）铝是一种高强度的能量载体，是开发电池的理想电极材料。在当前资源匮乏、环境日益恶化的情况下，作为备用电源的铝空气电池性能稳定、维护成本低廉，颇具吸引力，外加其运行时低噪音、低消耗、无污染、无废气产生等特点，铝空气电池的研究对于可持续发展有重要意义。

（2）基于铝空气电池适应性强的特点，其结构可根据实用要求设计成开放式或者封闭式，但组装的复杂性可能会阻碍其发展，应该合理地改善工艺和电池结。从电池体结构出发，改善电池透气和排液结构；在电解液循环系统的设计过程中避免连液问题以及改善沉淀物处理，将使得铝空气电池取得进一步的发展。

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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

赵少宁(1989—)，男，陕西省人，硕士研究生，主要研究方向为铝空气燃料电池管理。