百篇科普系列（27）—铝-空气电池

  百篇科普系列（27）

  铝-空气电池

   一．铝-空气电池的工作原理和基本要求

  铝-空气电池的负极是高纯度铝，在电池放电时被不断消耗，生成Al(OH)3氢氧化铝；正极是多孔性的氧电极，与氢-氧燃料电池的氧电极相同；电池放电时，从外界（空气）进入电极的氧发生电化学反应，生成氢氧根OH-；电解液可以是中性的水，也可以是氯化钠等碱性溶液。我们曾经介绍过氢-氧燃料电池，其提供氢气的一方是负电极，提供氧气的一方是正电极。在铝-空气电池中，负极提供的是纯铝，正极提供的是氧气，所以，可以认为，铝-空气电池是半个燃料电池，其化学反应式为：

   负极：（Al）：4Al－12e-=4Al3+

   正极：（O2）：3O2+6H2O十12e-=12OH-

   总反应式：4Al+3O2十6H2O=4Al(OH)3↓

  　 铝-空气电池的工作示意图如下：

   铝-空气电池的技术关键是：正电极结构和电解质中的沉淀物的处理。对于正电极，其材料和结构都有特殊要求，要求具有对氧的活化功能，还要求多孔，让氧的接触面增大，以便提高发电效率。对于电解质中的沉淀物的处理，要求氢氧化铝快速沉淀并移除，保持电解液的导电率。因此， 铝-空气电池必须附带一个沉淀物清除系统。此外还得附带一个空气循环系统，要求空气中不含微粒，因为微粒覆盖氧正极会降低反应速度；要求空气中不含二氧化碳，因为在正极生成碳酸盐也会降低正极性能。

  铝-空气电池比较实用的形状和燃料电池比较实用的形状差不多，是把若干个片块状的小电池组合在一起，做成电池堆的形状，如下图：

  　　如果把负电极改为锌，就是锌-空气电池，同样的有锂-空气电池，它们的工作原理和电池形状都差不多。

   二.铝空气电池的优势和劣势

  　　要比较电池的优劣，关键要看比能量和比功率这两个指标。

   电池的电容量。通俗地说，仅仅涉及电池容纳了多少电量这个特性，常用Ah表示。例如电池容量为10 Ah，以2A的电流放电，可以放电5小时。电池的容量不能够表示电池的电压和放电的强度大小，也不涉及电池的重量。

   电池的电能。也就是电池做功的能力，为电量与电压之乘积，这也是电池的整体特性。当然，电量大而且电压也大的电池，其做功能力也强。

  电池比能量。又称能量密度。电池输出的电能/电池的总重量。电池的比能量大，表明电池储能较多，持久做功能力较强，但是不能表明电池能够大电流持久地做功。

  电池的比功率。单位时间的比能量。比功率较大，则电池可用较大的电流放电，也表明电池的内阻较小。如果电池的内阻较大，则比功率就会小。

  铝空气电池的优势主要体现在如下几个方面：

  　1）比能量大，是一种高能化学电池。铝空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg。2014年，铝空气电池的实际比能量只达到350Wh/kg，但这已经是铅酸电池的7～8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。现在的研发工作，正在不断地提高铝空气电池的实用效率。

  2）质量轻，同样能量的铝空气电池总质量仅为铅酸蓄电池质量的12%。

  3）无毒危险，电化学反应的副产品是氢氧化铝，可以回收使用。

  4）铝原材料丰富。

  5）生产成本低，氢氧化铝可回收使用。

  6）使用方便，铝-空气电池无需充电，只需要更换铝电极，或更换电池堆。

  7）安全、环保。

  铝空气电池的劣势也很明显：

  　　1）是一种释放电能的化学反应装置，不能反复充电，需要更换铝电极或更换电池才能继续工作。

  　　2）虽然铝空气电池含有高的比能量，但比功率较低。

  　　3）放电速度比较缓慢，电压滞后。

  　　4）需要采用附加空气循环系统和氢氧化铝的回收系统。

   三．铝空气电池发展简史

  铝空气电池的问世到现在也有70多年了，现在就简单总结一下国内外这种电池的“演化”。

  上世纪70年代，研发的铝空气电池集中用于广播电视、矿井照明、江海航标等方面，是小功率的装置。

  上世纪80 年代，挪威、美国。加拿大，研发的铝空气电池用于无人水下航行器、深海救援艇，电池的比能量已经大有提高。

  上世纪90 年代，美国出现了第一个用铝空气电池推动的汽车。我国大量使用铝空气电池替代江海航标的电池。

  本世纪初，我国的哈尔滨工业大学、天津大学、湖南大学、北京有色金属研究院，在空气电极方面有所突破，还将铝空气电池用于机器人的动力源。

   2015年，与以色列Phinergy公司在位于蒙特利尔的维伦纽夫赛车场展示了装配有100公斤重铝空气电池的赛车可行驶1600公里的世界纪录，2016年，又展示了100公斤重的铝空气电池可行驶3000公里的成果。

  　四.国内外铝空气电池产业化现状

  　　目前国内涉及到铝空气电池的企业主要有三家，分别是空天科技、云铝股份和中国动力。

  　　，据悉，联合了天津大学，研究攻克了铝阳极放电中途钝化与自放电大、空气电极催化剂催化效率低与价格高三大核心技术难题，以及空气电极防水膜“冒汗”漏液等技术难题，掌握了具有自主知识产权的电池制造核心技术。已经开发出了100W、200W、500W、1kW、3kW、5kW等不同功率等级的铝空气电池模块，并初步形成了产业化格局。

  　　2016年10月，云合资，成立了云南云铝，将投资建设20MW（兆瓦）铝空气电池生产线，具备20万台/年电源产品的生产能力。

  　　中国动力与PHINERGY，计划在大巴、旅游车、物流汽车及运动型多用途汽车上，推广采用铝空气电池。

  　　另外，北京大学-台州金属燃料电池研究中心在铝空气电池研发方面已走在全国前列，并开始实现产业化生产。已与吉利汽车研究院合作，并在吉利熊猫车上进行了路试，目前为止，是国内唯一一家可以使用铝空气电池驱动电动车而续航里程远大于。

  　　2016年11月，德阳东，生产了1000台铝空气电池作为UPS（不间断电源），这些铝空气电池将被用于德阳铁塔基站备用电源，代替了原来的柴油发电机和铅酸电池。据悉，这是全国首次铝空气电池的商业化推广。

  　　铝-空气电池并不是传统意义上的能够反复充放电的电池，它与氢-氧燃料电池类似，是一种释放电能的化学反应装置。与氢-氧燃料电池比较，它重量更轻，发电效率更高更安全。与锂电池比较，它重量轻，放电能力更持久。正是这些原因，人们非常希望能够把铝空气电池作为电动汽车的动力。

   国内国外都在紧锣密鼓地研究如何提高铝空气电池的效率、实用化和商业化的问题，但是真正要实现商业化还是有一段距离的。

  原因之一，关键技术未取得商业化的突破。例如对空气电极的目标要求是很明确的，但成本低效率高的空气电极还在不停的研发之中，还没有达到商业化的程度。例如电解液中的氢氧化铝怎么沉淀和分离的问题，至今还没有确定一种公认为最好的方法。这些关键技术是影响铝空气电池走向市场化的重要障碍。因此，铝空气电池仍然处在实验室中，研发人员都希望在提高效率方面取得突破。但是，市场已经做好了铝空气电池商业化的一些准备。

  大家知道，锂电池有今天这个局面，是经过了20多年，是不断的开拓发展而来的，同样的，铝空气电池也要经过研发-试产-试用-再改进的过程，所以铝空气电池要走向市场商业化还需要一段较长的时间。