铝空气电池——电动车辆电源革命性的突破

陈天殷

（美国亚派克机电 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

目前，以锂离子电池驱动的电动汽车得以普及的最大障碍是充电时间长和行驶里程的局限性，其续航能力仅在135km （日产Leaf） ～480km （特斯拉S型）。因此，必须在全国城乡公路边遍布设置大量的快速充电站，否则无法实现驾驶电动汽车远途旅行。2014年2月在亚特兰大世界先进汽车电池能源会议上，美国铝业加拿大公司 （Alcoa）和以色列飞纳齐 （Phinergy）公司展示的100kg重的鋁空气电池能储存足可行驶3 000 kg超级续航能力的电量。相比之下，此前，特斯拉Model S的电池质量超过500 kg，而其行驶里程不超过500 km。Aluminium Air Battery中译为铝空气电池，简称AAB，是因电化学新技术成熟突破的最具前瞻性的电源核心科技装置，标志电动车辆电源革命性的进展。

新电池不同于昔日的蓄电池从普通的电网充电的模式来获取补充新能量，而是在美铝公司水电站的熔炼车间 “充电”，充完电的电池其实是一块主要由纯金属铝制成的厚实面板。铝板从空气中吸收氧气，用户又给车辆加水，化学反应使铝变成氧化铝，从而使化学能转换为电能，为车辆持续提供能量和动力。暴露在空气中的铝会发生氧化反应生成氧化铝；与铁生锈层层深入不同，铝表面形成的紧密氧化铝膜层会阻止内部深层的铝继续发生氧化反应。新电池的关键技术包含了电解质，可不断溶解铝表面的氧化层，使反应得以持续进行。

美国铝业加拿大公司介绍，目前使用这种电池电源的电动车辆仍需保留锂离子电池，铝空气电池是在锂电池电量耗尽后才启动，因此可以长时间使用，期间只需要每月加注清水。通常使用一年左右达到使用极限后，到服务站更换充满电能的铝空气电池即可。新能源车辆一个重要的指标是要轻量化以达到日常实际使用的目的。铝空气电池新能源技术横空出世的新闻一定程度也增加了市场对金属铝新型应用的预期，使世界铝业及其相关的股票在世界各大股票市场2014年6月中旬飙涨。

图1是Alcoa and Phinergy装置AAB的电动车辆（EV）。装有AAB超级续航能力的电池技术使它连续驰骋19h跑完多伦多到哈里法克斯1800km的路程，而中途无需充电——这相当于长沙到秦皇岛的里程！

1 AAB设计构想

社会的科技发展进步常常须仰赖某一项或数项关键技术的突破。其实，铝空气电池早在20世纪60年代就有文献报道问世。作为非充电电池，它具有非常高的能量密度。如同电视机，其原理早在20世纪30年代已经提出和被学者确认，但电视机商业化直至40年以后的70年代，而普及全球更是80年代的事了。

但往昔文献报道的铝空气电池，阴极是铝合金，在电池放电时不断地消耗；阳极是多孔性氧电极跟传统的H2／O2燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧气 （空气）在电解质、活性剂和催化剂的三相界面发生电化学反应生成OH-。电解质液可分为两种，一种是碱性溶液，另一种是中性溶液 （NaCl或NH4Cl或水溶液或海水）。但两种条件都存在如下腐蚀反应，此反应消耗铝，降低其利用率： 2Al+6H2O→2Al（OH）2+3H2。

而如今美国铝业加拿大公司 （Alcoa）和以色列Phinergy公司所研发的铝空气电池由含催化剂的空气阳极、电解质和金属铝阳极组成。其理论比能量为8.1kWh／kg， 仅次于锂空气电池的13.0kWh／kg。当然，铝空气电池在放电过程中阳极腐蚀会产生氢，不仅导致阳极材料过度消耗，而且还会增加电池内部的电学损耗，从而严重阻碍铝空气电池的商业化进程。开发方透露的解决方案是在高纯度金属铝中掺杂微量的特定合金元素以提高金属铝阳极耐腐蚀性，并在电解液中添加腐蚀抑制剂。图2展示了清晰的铝空气电池的设计构想。

铝是自然界存在的最丰富的金属资源，我国各地也有极充沛的铝矾土矿。汽车行业几十年来一直投入巨大的人力财力寻求可以替代传统汽油的全新的零排放无污染能源，铝空气电池可保证汽车具有超远程的续航能力，成为无污染和零排放、便于维护和安全使用的新能源，展现了无比美好的发展前景。

2 AAB系统组成、原理、特点与简史

美国、以色列这两家公司所研发的铝空气电池由含催化剂的空气阴极、电解质和金属铝阳极组成。其简化电化学反应的系统工作原理如图3所示。

为保证最佳的电化学反应效率，在单体的铝空气电池中金属铝Al阳极有一对辅助的空气电极。作为铝空气电池阳极的铝板，以及水只有少量的消耗。

2.1 AAB系统工作原理

图4 为AAB空气阴极让氧气进入的工作示意图。阳极侧的化学反应：Al+3OH-→Al （OH）3+3e--2.31 V。外电路，电子流经负载到达阴极。阴极侧的化学反应：O2+2H2O+4e-→4OH-+0.40 V。内电路，氢氧根离子经由电解液KOH到达铝阳极。整体的化学反应： 4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3+2.71V。

该技术的关键是银基碱性催化剂阻挡了CO2进入电池，而允许氧分子O2能在电解液中与水分子H2O一起反应，产生 （OH）离子，从而内电路外电路联通，形成电位差，形成源源不断供给电流的电源。

全新的铝空气电池开发商开发出一种金属铝阳极专有的生产工艺，该工艺可以提高金属铝的能量利用，并降低不必要的化学反应能量消耗。同时开发出一套先进的电池管理系统，使电化学反应稳定高效进行，提高电池的能量利用。空气阴极上配备的专有银基催化剂采用了创新的独特结构，能使氧气顺利通过空气阴极，在电解质里形成氢氧根离子到达铝阳极。而二氧化碳被阻隔在空气阴极之外，见图4，从而有效防止空气阴极的碳化问题，使工作寿命可达到数千小时。金属铝板反应生成氢氧化铝，而氢氧化铝可通过铝厂加工回收利用，实现资源可持续的循环再生。

在2014年6月加拿大蒙特利尔国际铝业大会上，展示装于电动车辆的铝空气电池共包括50块金属铝板，其中每一块铝板所产生的能量皆可单独驱动车辆行驶32 km（20英里）以上，因此整体的飞纳齐铝空气电池的续航里程可达1610km（相当1 000英里）。参展商集成装置的该电池产品的电动车辆实际在现场巡航行驶了1800km，持续19h。

2.2 AAB的性能特点

1）比能量高。参与电极反应的单位质量的电极材料放出的电能大小称为该电池的比能量，单位比能量用Wh／kg来表示。铝空气电池的理论比能量可达8100Wh／kg，虽然低于锂电池，但新工艺新材料全新的电池管理系统，作为非充电电池彻底解决了以前金属空气电池充电时间长、续航时间短的难题。

2）质量轻。我国以往开发和研制的牵引用动力型铅酸蓄电池的总能量为13.5 kWh，总质量为375kg。而同样的铝空气电池总质量仅45 kg，是铅酸电池的12%。由于电池质量大幅度减轻，降低了车辆整体质量，提高车辆装载能力，延长了续航里程。

3）无毒害危险。铝对人体不会造成伤害，并可循环回收利用，不污染环境。

4）安全运行，稳定性、经济性好。先进的智能电子电化学技术解决了安全性、稳定性。铝的原材料资源丰富，已具有大规模冶炼电解铝厂，生产成本相对较低。铝的再生回收方便，回收再生的成本较低。更换铝板电极，解决空气电池充电慢的问题。

铝空气电池有较高的比能量，但比功率较低，充电放电速度相对缓慢，电压滞后，自放电率较大，需采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。

由电极、电解液、催化剂等组成的实用商品化的电源，需实现电化学智能化系统的过程管理，必须做到：①输出电流电压平稳，确保金属电极表面不沉积氧化物，能与电解液充分接触，使金属电极表面一直趋于最佳电化学状态；②实现放电的自动控制，以充分提高电池使用寿命；③排出的废料在外部回收，电池的活性物质可再生、循环使用；④现行的结构模式是用更换铝板阳极来实现 “充电”，必须有精巧方便的机构确保其快捷安全地实施；⑤强碱性电解液系氢氧化物，需确保安全管控。

2.3 金属空气电池

全球能源日趋匮乏，科学家早在20世纪中叶就探索燃料电池作为高效洁净的新能源领域的开发热点，金属空气电池20世纪60年代就由美国的Zaromb证明其技术可行性。从而，以锌或铝等金属作为阴极活性物质，以空气中的氧气作为阳极活性物质，开发各型金属空气电池。其原理是氧气可以源源不断通过气体电极扩散到达电化学反应界面，与金属铝 （或锌等）反应而释放出电能，充分发挥燃料电池的优点。金属空气电池原材料在自然界存量丰富，性价比高，完全无污染，是面向21世纪的绿色能源。

金属空气电池早期仅致力于电视广播、航海航标灯、矿井照明等电源的应用研究。20世纪70年代末，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）研制替代内燃机的金属空气电池。20世纪80年代初，LLNL、Elecrodynamics和陶 （Dow）化学公司等联合组成Voltek公司。第3年终于开发出实用化的动力型金属／空气燃料电池系统Voltek A-2，是世界上第1个用来驱动车辆的铝空气燃料电池系统。20世纪80年代，挪威国防研究所、美国水下武器研究中心和加拿大的Aluminum Power公司着手探索将铝空气电池用于UUV（无人水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP（混合型柴电潜艇）的可能性。加拿大Aluminum Power公司采用合金化的铝阳极和有效的空气阴极，将其发展成为安全可靠的电池体系，能量密度在240～400Wh ／kg， 功率密度达22.6W／kg。

国内研究铝空气电池的单位有哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学和北京有色金属研究院等，各取得不同的进展和成果。关注超高的能量比，引导许多金属空气电池的研究团队把着力的重点瞄准锂空气电池。但真正的突破还是今年Alcoa和Phinergy公司的产品——以高纯度铝Al（含铝99.99%）为阳极，空气为阴极，KOH或NaOH的水溶液为电解质。

许多金属可用来研制金属空气能电池。图5为各种金属空气电池的比能量图。表1列出各种金属空气电池的开路电压和比能量值。

表1 各种金属空气电池的开路电压和比能量值

图6的金属空气电池原理结构图有助于我们较直观理解当前金属空气电池的一般原理结构。图6中的 “X基氧化物”表达某一种催化剂，如锂空气电池采用的催化剂是锰基氧化物。

图7为现行的锂电池原理图，该图形象地介绍了一款空气极板具有众多微孔或称海绵状的结构，表达了氧分子从充满微孔 “泡沫状”的镍板进入电池中的情形。

电池中氧气是无法储存的，锂空气电池不包含氧的比能量理论值为11140Wh／kg （合40.1MJ／kg）， 见表1，比较汽油的比能量值44MJ／kg，已是相当接近了。

2.4 铝空气电池的应用

除应用在电动车辆行业中巨大的应用前景外，金属空气电池还能应用在固定能源，如医院、数据中心、商贸应急电源、移动房屋、无人驾驶车辆及诸多国防用途。铝空气电池具有可持续、高能量密度等特点，前景十分广泛。位于宾夕法尼亚州匹兹堡的美国铝业公司技术中心是世界最大的轻金属研究机构。掌握该项核心技术的Alcoa和Phinergy目前正踌躇满志高歌猛进，这一领域也是需要我们急起直追，尽早掌握拥有铝空气电池自主知识产权的专利和核心机密。

3 其他替代能源研发的进展

生态、环境压力推动着会有一种或多种绿色能源技术改变、颠覆传统的燃油汽车，承载起改善人类环境的使命。电化学、电力电子、新材料和汽车电子等技术不断创新和应用，极大推动电动车辆电源的飞速发展，多种技术方案相互借鉴相互促进，在相互赶超中不断取得突破性的进展。除在各项指标上皆领先的金属空气能电池外，目前世界各地在开发的，有代表性的，还有下述6种。

1）石墨烯电池与超级电容器结合。以英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所为代表，研究人员以石墨烯作为添加剂，探索减小电池尺寸与质量并扩展电池寿命。

2）博世公司企图从2个步骤改进锂离子电池，大幅度提高电池单元能量密度，由当前130 Wh，2016年达到200Wh，2020年到达300Wh，从而使电动汽车行程加倍。

3）美国麻省理工学院科学家使用半固态液流电池系统。该电池电极采用微粒子悬浮在液体电解液中，该混合液称为Cambridge Crude。将两种像泥浆一样的流体混合物 （一种带正电荷，一种带负电荷）通过该系统注入，使锂离子在隔膜中能自由地穿梭，产生电流。

4）我国复旦大学研制新型的水锂离子电池，充10 s，充60度电，可以行驶400～800 km。其研究成果于2014年初在权威刊物 《自然》的子刊 《科学报道》刊发。

5）ECOmove公司研制用生物甲醇提高其电池寿命。新型电动汽车底盘有6个电池模块。这种新型电动汽车最高时速可达120km／h（75英里／小时）。续航里程可达到800km （500英里），而质量仅425kg，相比汽油柴油产生的二氧化碳大幅减少。

6）美国阿贡国家实验室研发基于纳米材料的液态动力电池，电池内部没有可燃性材料，据称，还便于太阳能和风能充电。目标是一次充电续航里程达到800～1610km （500～1000英里）。

4 氢氧化铝回收与环境影响评价

将氢氧化铝还原成铝单质金属，其过程可用下述2个化学反应式表达。

1） 加热分解： 2Al（OH）3→Al2O3+3H2O。

2） 电解： 2Al2O3→4Al+3O2。

氢氧化铝还原为金属铝形成传统工业，已有近百年历史。作为反应过程本身并没有产生易燃易爆物质，也看不出如何污染环境。2011年笔者曾随浙江人大代表去到位于胶济铁路线上的山东省淄博市调研过山东电解铝厂，该厂年产300万吨。详细了解过它的环境影响：①铝厂需要开采较大量的地下水；②电解铝需要巨量的电力，如果它们使用的是煤电，那燃煤发电过程必定会带来大气污染；③电解铝车间里的电解槽是大型的预焙槽，每个电解槽有5～6根立柱母线，每根立柱母线电流高达300～400kA，必在周围形成强大的电磁场，造成较强的电磁辐射；④电解槽的阳极碳棒制备需要有一个碳素厂，自然也会有次生的环境影响。

5 结语

认为铝空气电池是电动车辆电源革命性的突破，一在于它能实现超长的巡航里程；二是颠覆传统电池一次一次充电放电的窠臼，改为更换极板来更新电池。任何一种新技术新产品的问世，成功与否都需接受市场检验。我们期待美国铝业和飞纳齐公司的新型铝空气电池能承担起替代燃油汽车解决电动车辆电源改善和缓解环境问题的使命！笔者的观点也期待国内同道们指正。

［1］ Tom Denton.Automobile Electronic&Electronic Systems［M］.London： Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.，2009.

［2］ Ronald K.Jargem.Automotive Electronic Handbook （3rd）［M］.New York： MMcGrow-Hill Corpanics Inc， 2008.

［3］ 美国铝业公司 （Alcoa） 公司网站［OL］.http：／／www.alcoa.com.

［4］ 以色列 “飞纳齐” （Phinergy） 公司网站［OL］.http： ／／www.phinergy.com.

［5］ Qistein Hasvold， Kjell Havard Johansen， Karstein Vestgaard， et al.The alkaline aluminium／hydrogen peroxide semin-fuel cell for the Hugin 3000 autonomous underwater vehicle［J］.IEEE， 2002.

［6］陈天殷.汽车电子技术的现状与展望［J］.汽车电器，2012 （12）： 1-3， 7.

［7］ KennethSleight?edited ， Lamar Stonecypher·updated ：Aluminum Air Battery Technology-Concepts and Research［OL］.http：／／www.brighthub.com 5／13／2011.

［8］陈天殷.发展电动汽车应有利于推动环保和清洁能源，汽车电器，2012（10）：5-7.