铝空气电池应用于汽车动力装置的技术现状及前景展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

引言

电动汽车通常泛指采用高压电池与驱动电机提供驱动动力来源的车辆。目前内燃机的有效热效率约为38%，考虑到在城市道路上遇到的频繁启停，低速行驶，等待信号灯等复杂交通状况，其最终效率不超过12%[1]。而纯电动汽车可将电能由电动机转换成汽车的驱动力，效率可达80%以上。即使考虑到火力发电场的发电效率、输电效率、充放电效率等整个能量转换过程，其总体效率仍可达到约19%。

其次，电能是一类二次能源，因此可使用多种一次能源进行转化[2]，有效减少了对日渐枯竭的石油资源的依赖[3]。电动车通常可利用夜间的大量富裕电力进行充电，有利于维持电网负荷的均衡性，减少了能源的浪费，并提升了电力系统的自身效益。

不仅如此，纯电动汽车在行驶过程中并无废气排放，即使以火力发电的初始状态来进行排放物计算，总体废气排放量相比于内燃机汽车也有所减少[4]。

相比于内燃机汽车，纯电动汽车具备更平稳舒适的驾乘环境，振动及噪声水平明显更低。电动汽车可在制动过程中回收动能，但对于内燃机汽车而言，该部分能量仅以热量的形式进行耗散。电动汽车由于直接采用电力驱动，比采用机械传动的传统内燃机汽车更易于操纵，自动化程度更高。

1 铝空气电池

铝是一类优秀的阳极材料，其电化学氧化涉及3个电子，而铝的相对原子量较小（仅为26.98），因此铝阳极的质量比容量可达2.98（A·h）/g，接近于锂阳极的3.86（A·h）/g，并且远高于锌阳极的0.82（A·h）/g。同时金属铝的密度为2.7 g/cm3，因此铝阳极的体积比容量可达8.04（A·h）/cm3，优于锂阳极的2.06（A·h）/cm3和锌阳极的5.85（A·h）/cm[3，5]。

铝空气电池，属于金属空气电池，是一种将金属材料的化学能直接转化为电能的化学电源。铝空气电池早期主要应用于航空航天及其他军事领域。目前存在两类便携式铝空气充电电池，即盐电解质充电电池及碱性电解质充电电池[6]。

盐电池可应用于多个领域，电池本体则可进行干燥运输及折叠，使用时可采用当地现成的水源[7]。碱性电池则被应用于高功率工作环境，在实际应用前加入碱性溶液进行激活。该两类电池可在干燥状态下进行存放，并且耐久性较好。使用盐及其他碱性电解质的便携式铝空气电池由于在使用前必须要添加液体电解质，这是该类电池的一类重要缺陷。

铝空气电池使用铝作为阳极，空气作为阴极[8]。铝空气电池的化学反应是通过铝摄取空气中的氧气，在蓄电池放电时产生电化学反应，通过铝和氧气相互作用将其转化为氧化铝。

阳极的化学反应式为：Al=[Al+3+3e] （1）

阴极的化学反应式为：[O2+2H2O+4e]=[4OH-]（2）

整体的化学反应式为：

[4Al+3O2+6H2O]=[4Al（OH）3] （3）

阴极材料及其性能在铝空气电池的性能发挥中有着重要的作用[9]。为保证铝空气电池的正常运作，化学反应产生的腐蚀现象不但会降低电池的效率，同时也会在化学反应过程中产生氢气。如需提升电池效率或降低腐蚀电流密度，则必须从电池中排出反应过程中产生的氢气等物质。

铝空气电池不仅可在干燥或未激活的状态下提供电能，其能量密度也十分可观。其能量密度在工作过程中的不断降低现象是由于在铝阳极和空气阴极产生能量的化学反应中[10]，电池中的水不断消耗所导致的。

2 铝空气电池应用于车辆动力装置的优势

相比于电动汽车使用的其他类型蓄电池，铝空气电池具备如下优势[11]：

1）比能量高，其理论比能量约为8 100（W·h）/kg，但实际数值仅为350（W·h）/kg。但即使如此，也可达到铅酸电池的7～8倍，镍氢电池的5～8倍、锂电池的2～3倍

2）质量轻。质量约为传统铅酸电池的12%。由于有效降低了电池的质量，从而可在总质量一定的前提下有效提升装载量或延长整车行驶里程。

3）具备高度兼容的模块化设计结构，便携性出色，并且便于操作及管理。

4）启动性能出色，可在环境温度为-40℃的条件下启动。

5）铝自身没有毒性及危险性，对人体并不会造成伤害，也不会污染环境。

6）工作时静音性较好，维护保养要求较低。

7）铝材料来源丰富，冶炼技术也较为成熟，并且易于进行回收，其成本也较低。

铝空气电池自身有着电压滞后，自放电率较高的弊端。因此需充分利用热管理系统来减缓工作过程中的过热现象，以保证电池的正常运作。

3 铝空气电池在车用动力领域的研发及应用现状

3.1 国外车用铝空气电池的研发及应用现状

早在2014年，美铝加拿大公司和以色列Phinergy公司就在蒙特利尔展示了铝空气电池技术在汽车动力装置领域的应用，目前已实现续航里程3 000 km[12]。由特斯拉生产的锂电池汽车在充电后的实际行驶里程也仅有400～500 km。

配备了铝空气电池的电动汽车仍需保留锂电池动力装置。在锂电池能量消耗殆尽后，铝空气电池方才会启动并正式投入使用，使得该类电动汽车续航里程较长。如需维护保养，需定期向铝空气电池内加注清水。在其能量耗尽无法继续使用后，需到具备供应能力的厂家更换全新的电池。

铝空气电池本体是一块主要由铝制成的板材。铝板与氧气及水发生化学反应，并释放出电能，由此可为汽车提供驱动力来源。当铝暴露在空气中时，化学反应会自行发生。尽管化学反应后生成的氧化铝等物质会影响到内部的铝继续参与化学反应，但通常车用铝空气电池会采用电解质消解附着在表面的氧化层，以此维持反应的继续进行。

3.2 国内车用铝空气电池的研发及应用现状

近年国内也加紧了对铝空气电池的研发及试验，2016年“西博会”上正式登场了铝空气电池。目前国内铝空气电池主要应用于野外通讯基站补给供电，尚未正式投入汽车领域的使用[13]。

四川某家车企目前与川内某新能源企业共同开展铝空气电池的研发工作。通过试验，可在装填30 kg铝燃料后实现上千公里的行驶距离。就成本方面而言，铝材原价约为12元/kg，考虑到各方面的成本，行驶百公里的总成本大约为45元，低于传统内燃机汽车同样行驶里程下的燃油成本，尽管目前铝空气电池主要研究领域更偏向于生活电源或通信电源，但就其动力性和安全性而言，铝空气电池非常适合用作电动汽车的动力来源。中国科学院宁波材料技术与工程研究所目前也在对铝空气电池进行研发，普通的铅酸蓄电池的寿命仅为3～4年，但由宁波材料所研发的铝空气电池储存时间约15年，寿命明显更长[14]。

4 车用铝空气电池进行商业化面临的主要问题

使用铝空气电池作为车用动力装置。虽然可有效提升续航里程，但是也存在重要的技术性问题。铝空气电池并非传统意义上可多次充放电能的二次电池，仅是一类单向释放电能的化学发电装置。当铝和氧气发生化学反应并产生电能时，电池内的铝含量会随着放电而逐渐减少。不仅如此，此种电池的电流流向仅有一个：从阳极至阴极，因此该类电池无法进行充电。

某车用铝空气电池内即使储存了可行驶3 000 km的充足电量，但在行驶完3 000 km后，电池即告寿终正寝[15]，需要更换采用全新的铝空气电池，使其市场竞争力受到了相当程度地限制，阻碍了其实现大规模商业化。

5 车用铝空气电池的未来展望

尽管目前铝空气电池由于无法进行二次充电等技术性原因，在汽车动力装置领域尚未投入正式使用。但其相比锂电池电动汽车具备动力性及续航里程方面的显著优势，相比于传统的内燃机汽车又有着电动汽车的固有优势，因此可称得上是一类博采众长，极具潜力的车用动力装置。

6 结论

对于铝空气电池的研发工作，国内外正在紧锣密鼓地开展当中。铝空气电池尽管具备比能量高，质量轻巧，模块化程度高，便携性出色，启动性能良好，噪声水平低及铝材料来源丰富等一系列优势，但由于无法进行二次充电等原因，尚有一定的技术提升空间。目前主要研究方向在电源领域，但是其自身动力性能非常适合于用作车辆动力装置。假以时日，随着石油资源的日渐枯竭以及相关技术的不断完善，铝空气电池汽车必将在汽车动力装置领域占据一席之地。