鋁空氣電池綜述

周榮燦摘要：鋁空氣電池是實(shí)際比能量高達(dá)300~400Wh/kg且對(duì)環(huán)境非常友好的優(yōu)秀電池；電池結(jié)構(gòu)和使用的原材料可根據(jù)實(shí)際環(huán)境和要求而變動(dòng)，具有很大的適應(yīng)性；它既可用于陸上又可用于深海，既可用作動(dòng)力電池，又是長(zhǎng)壽命高比能的信號(hào)電池。關(guān)鍵詞：鋁電池；空氣電池；AluminumairbatteryAbstract:Aluminum/air(oxygen)fuelcellisoneoflong-lifeandhighenergydensitybatterieswithactualspecificenergyreached300-400Wh/kg，andmaybeenvironment.Itsstructureandmaterialstobeusedmaybedeterminedaccordingtothedemandofusers,havingexcellentadaptability.Thisbatteriesmayoperatenotonlyonlandbutalsoinsub—sea，andbeusedaspowersourceorsignalbattery。Keywords:Aluminumbattery;Airbattery；引言人類社會(huì)的快速發(fā)展和人口的迅速增長(zhǎng)以及對(duì)石化資源的大量利用，造成溫室效應(yīng)、大氣污染和酸雨等環(huán)境惡化.這迫使人們?cè)谶x擇能源時(shí)，會(huì)優(yōu)先于資源豐富、對(duì)環(huán)境友好的能源。鋁是地殼中含量最多的金屬元素，具有來源廣、能量密度較高、無毒性、存放穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)40年代起受到人們的關(guān)注，在多個(gè)領(lǐng)域有所利用，尤其是電池領(lǐng)域。什么是鋁空氣電池鋁空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電質(zhì)構(gòu)成的一種新型高能量化學(xué)電源，屬于半燃料電池.該電池具有能量密度大、質(zhì)量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長(zhǎng)、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。最早于20世紀(jì)60年代由美國(guó)的Zaromb證明了其技術(shù)的可行性；鋁空氣電池的特點(diǎn)A。 比能量高，電池理論比能量可達(dá)2290wh/kg,目前實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到300~400wh/kg.這一數(shù)值遠(yuǎn)高于當(dāng)今各種電池的比能量。雖然Li/SOCl2電池的比能量與此相當(dāng)，但其安全性不好，這使它無法用于動(dòng)力電池。極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解B。比功率中等，達(dá)到50?200w/kg,這一特性顯然是由氧電極所決定的.因?yàn)檠?電池總的放電反應(yīng)為:電極的工作電位遠(yuǎn)離其熱力學(xué)平衡電位。其交換電流密度很小，電池放電時(shí)極化很大。氫氧燃料電池的比功率不高，其原因也在于此.C。 使用壽命達(dá)到3~4年.這也取決于氧電極的工作壽命，因?yàn)殇X電極是可以不斷更換的.D。 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七。后者是當(dāng)今用于污水處理的優(yōu)異沉淀劑。E。 可設(shè)計(jì)成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式，便于因使用場(chǎng)合不同而進(jìn)行設(shè)計(jì).F。 鋁資源豐富，原料充足。鋁空氣電池的工作原理鋁空氣電池的負(fù)極是鋁合金，在電池放電時(shí)被不斷消耗，并生成Al(OH七；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(shí)，從外界進(jìn)入電極的氧(空氣)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成oh-;電解液可分為兩種，其一為中性溶液(NaCl或NHCl水溶液4或海水)，另一種是堿性溶液?？梢哉J(rèn)為鋁/空氣電池是半個(gè)燃料電池。2Al+-O+3HO=2Al(OH) 中性溶2 2 2 3液32Al+-O2+2OH-+3HO=2Al(OH)-堿性溶液電池的結(jié)構(gòu)鋁空氣電池的容量取決于鋁陽極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)中沉淀的處理。關(guān)于鋁陽極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有三種方案。最普通的一種采用定期更換陽極。另一種是采用楔型陽極，在傾斜放置的兩片陰極之間，通過重力來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料.第三種方案是采用鋁屑、鋁珠或鋁顆粒作陽極，自動(dòng)進(jìn)料。隨著電解質(zhì)中的生成，電導(dǎo)率下降，另外累積的可以形成過飽和溶液，而使電解質(zhì)變成糊狀甚至半固體狀，因此需要采取技術(shù)措施。常用的方法有采用有定期更換電解質(zhì)、循環(huán)電解質(zhì)或向電解質(zhì)中添加晶種來沉淀"。相應(yīng)的電池設(shè)計(jì)包括沉淀和過濾裝置等。此外還應(yīng)考慮到電池的干式儲(chǔ)放、啟動(dòng)和散熱等問題。研究現(xiàn)狀70年代，集中于電視廣播、航海航標(biāo)燈、礦井照明等電源用鋁空電池的研究，美國(guó)能

源部曾投資幾百萬美元支持勞倫斯一利佛莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）研制替代內(nèi)燃機(jī)的金屬空氣電池，后來由LLNL和Electro—dynamics及Dow化學(xué)公司等聯(lián)合組成Voltek公司，終于開發(fā)出實(shí)用化的動(dòng)力型金屬空氣燃料電池系統(tǒng)VoltekA2,是世界上第一個(gè)用來推動(dòng)電動(dòng)汽車的鋁空氣燃料電池系統(tǒng)；80年代，挪威國(guó)防研究所、美國(guó)水下武器研究中心、加拿大的AluminumPower公司著手探索將鋁空氣電池應(yīng)用于UUV（無人水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP潛艇的可能性，加拿大的AluminumPower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，能量密度在240~400Wh/kg，功率密度達(dá)到22.6W/kg；90年代后迎來發(fā)展高潮，在便攜式電源、備用電源、電動(dòng)車電源以及水下推進(jìn)裝置應(yīng)用方面都獲得了飛速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)研究鋁空氣電池的單位較少，據(jù)統(tǒng)計(jì)只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、天津大學(xué)、北京有色金屬研究院等在氧電極、合金陽極方面做了部分工作，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)做了1kW的機(jī)器人用鋁空氣電池組，并做了機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)，雖然鋁空氣燃料電池已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是目前仍未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。主要原因在于一些相關(guān)技術(shù)仍未十分成熟，仍然存在一些問題沒有解決。一般的中、高功率大型鋁空氣燃料電池組或電池堆都需要空氣循環(huán)系統(tǒng)和電解液循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于空氣循環(huán)系統(tǒng)主要是如何降低空氣中的cq,以消除空氣電極上的碳酸鹽的生成，提高電極性能.雖然銀、鉑有很好的催化作用，但是存在著催化劑中毒及失效問題，而且價(jià)格也比較昂貴，對(duì)于商業(yè)實(shí)用化也是一大障礙。同時(shí)四甲氧基卟啉絡(luò)鉆存在著失鉆問題及空氣循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。因此必須開發(fā)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新型催化劑如MnO^等，并且采用納米技術(shù)也是很重要的研究課題。對(duì)于電解液循環(huán)系統(tǒng)雖然可以添加特殊的抑制劑，使三水鋁石結(jié)晶沉淀，以便分離后電解液繼續(xù)使用，但是分離裝置及其進(jìn)程仍不得而知，系統(tǒng)研究報(bào)道也沒有.更何況國(guó)內(nèi)關(guān)于鋁空氣燃料電池的相關(guān)研究，報(bào)道極少，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外對(duì)鋁空氣燃料電池的研究。發(fā)展前景性能達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)前制約電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素不1、電動(dòng)車電源的有力競(jìng)爭(zhēng)者是電動(dòng)車本身，而是其動(dòng)力系統(tǒng)，更確切地說是電池。從金屬空氣電池（包括鋁空氣電池和鋅空氣電池）的本性和進(jìn)展?fàn)顟B(tài)來看，它在其他競(jìng)爭(zhēng)者面前具有非常誘人的魅力.首先，鋁空氣電池具有300~400wh/kg高比能量，這是上述任何一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手難以達(dá)到的，同時(shí)又是電動(dòng)車行駛距離得以跟汽油車相比的根本保證。其次，鋁空氣電池可以采取機(jī)械式“充電”，只要幾分鐘就可以方便地更換新的鋁電極，使電池“充足電",又可繼續(xù)行駛。這是任何二次電池做不到的.再加上氧電極催化劑成本下降，鋁電極利用率提高，促使電池成本大幅度下降。況且電池價(jià)格乃是它能否用于電動(dòng)車、能否被市場(chǎng)接受的最關(guān)鍵性因素。性能達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)前制約電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素不2、潛艇AIP系統(tǒng)的優(yōu)秀能源使用鋁氧燃料電池取代氫氧燃料電池用于潛艇AIP系統(tǒng)之后，其唯一的區(qū)別是用鋁負(fù)極取代了氫負(fù)極.Altek公司的鋁空氣燃料電池最新研究成果已表明，負(fù)極鋁的利用率可以達(dá)到90%,大于燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，鋁是很輕的金屬，它的重量小于氫及氫源裝置的總重量。因而整個(gè)AIP系統(tǒng)的重量和體積將會(huì)減小，即提高了AIP系統(tǒng)的能量密度，從而延長(zhǎng)了潛艇的一次性水下航行里程。3、 水下機(jī)器人的最佳動(dòng)力電源挪威的HUGIN3000水下機(jī)器人采用鋁過氧化氫電池作動(dòng)力。該電池的氧電極使用由過氧化氫分解而來的氧。每kg過氧化氫可以生成0.471kg的氧。當(dāng)用于鋁氧電池工作時(shí)，它可以產(chǎn)生2?2。4kWh的電能。電池每次放完電后，鋁負(fù)極和電解液重新更換，同時(shí)要補(bǔ)充過氧化氫，這些工作只要幾分鐘就可完成。HUGIN3000水下機(jī)器人的排水量為2.4立方米，下潛深度達(dá)到水下600?3000m，在900W額定負(fù)荷條件下可以連續(xù)工作48h。即電池要輸出能量43.2kWh,只需攜帶過氧化氫18~20kg即可.4、 價(jià)廉物美的高能電源對(duì)于大部分移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼站來說，它們處于偏僻地區(qū)，往往無人值班，且早晚氣溫變化很大，致使蓄電池的浮充電流變大，失水量加大，電池容量下降，壽命縮短。由于鋁空氣電池的比能量是鉛蓄電池的6~8倍，這意味著電池連續(xù)工作時(shí)間可以延長(zhǎng)6?8倍，這對(duì)于確保中繼站工作的可靠性和減少維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，以節(jié)約維護(hù)費(fèi)用均是有利的。結(jié)語A。鋁是一種高強(qiáng)度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。在當(dāng)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(hù)成本低廉，頗具吸引力，外加其運(yùn)行時(shí)低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產(chǎn)生等特點(diǎn)，鋁空氣電池的研究對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有重要意義。鋁空氣電池是高比能量對(duì)環(huán)境友好的電池.新近的開發(fā)工作不僅提高了電池性能，而且還大幅度降低成本和簡(jiǎn)化使用維護(hù)程序，使電池向?qū)嵱没较蜻~了一大步。電池的結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)用要求設(shè)計(jì)成開放式或封閉式；電解液可以是中性的或堿性的，也可以是循環(huán)的或可以是固定的；所需的氧化劑可以從實(shí)用環(huán)境中“就地取材",采用空氣、壓縮氧、液氧、過氧化氫或海水中溶解的氧。鋁空氣電池既可用于陸上又可用于深海；既可作動(dòng)力電源，又是長(zhǎng)壽命高比能的信號(hào)電源。參考文獻(xiàn)［I］ 桂長(zhǎng)清.鋁空氣電池的最新成就和應(yīng)用前景［J］.船電技術(shù),2005,25(5):1。［2］楊衛(wèi)娟，陳超，周志軍等.鋁作為能量載體利用的研究進(jìn)展［J］。能源工程，2014(6):1.［3］桂長(zhǎng)清.鋁空氣電池的前景［J］.電池，2002,32(5)。［4］黃瑞霞，朱新功等。鋁空氣電池的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］。電池工業(yè)，2009,14(1).［5］房振乾，劉文西，陳玉如。鋁空氣燃料電池的研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù),2003(02)［6］鞠克江，劉長(zhǎng)瑞，唐長(zhǎng)斌等.鋁空氣電池的研究進(jìn)展及應(yīng)用前景［J］.電池,2009,39(1)［7］舒方霞，王兆文，高炳亮等。堿性鋁空氣電池用鋁合金陽極的研究進(jìn)展［J］.電池，2005,35(2)［8］ 唐有根，劉小鋒，宋永江.鋁空氣電池負(fù)極材料處理研究進(jìn)展［Z］。2008［9］ 唐有根，盧凌彬。鋁空氣電池的研究［J］。中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,42(zl)。［10］余祖孝，陳昌國(guó)，羅忠禮.鋁空氣電池電解液的研究現(xiàn)狀［J］?；瘜W(xué)研究與應(yīng)用，2004,16(5)［II］ 吳瞳,鞠克江，劉長(zhǎng)瑞.空氣電池陽極材料及制備工藝對(duì)性能的影響研究［Z］.2009［12］ 王兆文，高炳亮，李慶鋒等.鋁空氣的開發(fā)與應(yīng)用［J］。有色冶礦,2008,12(1).［13］ 崔海洋，鄭邯勇，趙文忠等。用作氫源和陽極材料鋁合金的研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù)，2003(12)［14］ 樓帥，衛(wèi)澤敏.鋁電池小探究［J］.化學(xué)教學(xué)，2009(5).［15］ 馬正青，左列，龐旭等.鋁電池研究進(jìn)展［J］。船電技術(shù),2008,28(5)［16］ GunterS,PEFCSfornavalshipsandsubmarines:manytasks,onesolution［J］1998QisteinH;NilsS,Electrochemicalpowersourcesforunmannedunderwatervehiclesusedindeepseasurveyoperations[J]2001(1)SHENPK;TsengACC;KuoCDevelopmentofanaluminum/seawaterbatteryforsub一seaapplication [