周榮燦摘要：鋁空氣電池是實際比能量高達300~400Wh/kg且對環(huán)境非常友好的優(yōu)秀電池；電池結構和使用的原材料可根據實際環(huán)境和要求而變動，具有很大的適應性；它既可用于陸上又可用于深海，既可用作動力電池，又是長壽命高比能的信號電池。關鍵詞：鋁電池；空氣電池；AluminumairbatteryAbstract:Aluminum/air(oxygen)fuelcellisoneoflong-lifeandhighenergydensitybatterieswithactualspecificenergyreached300-400Wh/kg，andmaybeenvironment.Itsstructureandmaterialstobeusedmaybedeterminedaccordingtothedemandofusers,havingexcellentadaptability.Thisbatteriesmayoperatenotonlyonlandbutalsoinsub—sea，andbeusedaspowersourceorsignalbattery。Keywords:Aluminumbattery;Airbattery；引言人類社會的快速發(fā)展和人口的迅速增長以及對石化資源的大量利用，造成溫室效應、大氣污染和酸雨等環(huán)境惡化.這迫使人們在選擇能源時，會優(yōu)先于資源豐富、對環(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。自20世紀40年代起受到人們的關注，在多個領域有所利用，尤其是電池領域。什么是鋁空氣電池鋁空氣電池是以鋁合金為負極、空氣電質構成的一種新型高能量化學電源，屬于半燃料電池.該電池具有能量密度大、質量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長、使用安全等優(yōu)點。最早于20世紀60年代由美國的Zaromb證明了其技術的可行性；鋁空氣電池的特點A。 比能量高，電池理論比能量可達2290wh/kg,目前實際上已經達到300~400wh/kg.這一數值遠高于當今各種電池的比能量。雖然Li/SOCl2電池的比能量與此相當，但其安全性不好，這使它無法用于動力電池。極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解B。比功率中等，達到50?200w/kg,這一特性顯然是由氧電極所決定的.因為氧 電池總的放電反應為:電極的工作電位遠離其熱力學平衡電位。其交換電流密度很小，電池放電時極化很大。氫氧燃料電池的比功率不高，其原因也在于此.C。 使用壽命達到3~4年.這也取決于氧電極的工作壽命，因為鋁電極是可以不斷更換的.D。 無毒、無有害氣體，不污染環(huán)境。電池反應消耗鋁、氧和水，生成Al(OH七。后者是當今用于污水處理的優(yōu)異沉淀劑。E。 可設計成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結構形式，便于因使用場合不同而進行設計.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極是鋁合金，在電池放電時被不斷消耗，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，從外界進入電極的氧(空氣)發(fā)生電化學反應，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為鋁/空氣電池是半個燃料電池。2Al+-O+3HO=2Al(OH) 中性溶2 2 2 3液32Al+-O2+2OH-+3HO=2Al(OH)-堿性溶液電池的結構鋁空氣電池的容量取決于鋁陽極結構和電解質中沉淀的處理。關于鋁陽極結構的設計有三種方案。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，通過重力來實現自動進料.第三種方案是采用鋁屑、鋁珠或鋁顆粒作陽極，自動進料。隨著電解質中的生成，電導率下降，另外累積的可以形成過飽和溶液，而使電解質變成糊狀甚至半固體狀，因此需要采取技術措施。常用的方法有采用有定期更換電解質、循環(huán)電解質或向電解質中添加晶種來沉淀"。相應的電池設計包括沉淀和過濾裝置等。此外還應考慮到電池的干式儲放、啟動和散熱等問題。研究現狀70年代，集中于電視廣播、航海航標燈、礦井照明等電源用鋁空電池的研究，美國能

源部曾投資幾百萬美元支持勞倫斯一利佛莫國家實驗室（LLNL）研制替代內燃機的金屬空氣電池，后來由LLNL和Electro—dynamics及Dow化學公司等聯合組成Voltek公司，終于開發(fā)出實用化的動力型金屬空氣燃料電池系統(tǒng)VoltekA2,是世界上第一個用來推動電動汽車的鋁空氣燃料電池系統(tǒng)；80年代，挪威國防研究所、美國水下武器研究中心、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、電動車電源以及水下推進裝置應用方面都獲得了飛速的發(fā)展。國內研究鋁空氣電池的單位較少，據統(tǒng)計只有哈爾濱工業(yè)大學、武漢大學、天津大學、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)大學做了1kW的機器人用鋁空氣電池組，并做了機器人樣機試驗，雖然鋁空氣燃料電池已經取得了很大的發(fā)展，但是目前仍未能實現商業(yè)化。主要原因在于一些相關技術仍未十分成熟，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，而且價格也比較昂貴，對于商業(yè)實用化也是一大障礙。同時四甲氧基卟啉絡鉆存在著失鉆問題及空氣循環(huán)系統(tǒng)的設計問題。因此必須開發(fā)質優(yōu)價廉的新型催化劑如MnO^等，并且采用納米技術也是很重要的研究課題。對于電解液循環(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程仍不得而知，系統(tǒng)研究報道也沒有.更何況國內關于鋁空氣燃料電池的相關研究，報道極少，因此遠遠落后于國外對鋁空氣燃料電池的研究。發(fā)展前景性能達到了其設計指標。當前制約電動車產業(yè)發(fā)展的主要因素不1、電動車電源的有力競爭者是電動車本身，而是其動力系統(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）的本性和進展狀態(tài)來看，它在其他競爭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，這是上述任何一個競爭對手難以達到的，同時又是電動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。況且電池價格乃是它能否用于電動車、能否被市場接受的最關鍵性因素。性能達到了其設計指標。當前制約電動車產業(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)別是用鋁負極取代了氫負極.Altek公司的鋁空氣燃料電池最新研究成果已表明，負極鋁的利用率可以達到90%,大于燃料電池的能量轉換效率。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AIP系統(tǒng)的重量和體積將會減小，即提高了AIP系統(tǒng)的能量密度，從而延長了潛艇的一次性水下航行里程。3、 水下機器人的最佳動力電源挪威的HUGIN3000水下機器人采用鋁過氧化氫電池作動力。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。當用于鋁氧電池工作時，它可以產生2?2。4kWh的電能。電池每次放完電后，鋁負極和電解液重新更換，同時要補充過氧化氫，這些工作只要幾分鐘就可完成。HUGIN3000水下機器人的排水量為2.4立方米，下潛深度達到水下600?3000m，在900W額定負荷條件下可以連續(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、 價廉物美的高能電源對于大部分移動網絡中繼站來說，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)工作時間可以延長6?8倍，這對于確保中繼站工作的可靠性和減少維護人員的勞動強度，以節(jié)約維護費用均是有利的。結語A。鋁是一種高強度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。在當前資源匱乏、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、維護成本低廉，頗具吸引力，外加其運行時低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產生等特點，鋁空氣電池的研究對于可持續(xù)發(fā)展有重要意義。鋁空氣電池是高比能量對環(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化使用維護程序，使電池向實用化方向邁了一大步。電池的結構可根據實用要求設計成開放式或封閉式；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；既可作動力電源，又是長壽命高比能的信號電源。參考文獻［I］ 桂長清.鋁空氣電池的最新成就和應用前景［J］.船電技術,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展［J］。能源工程，2014(6):1.［3］桂長清.鋁空氣電池的前景［J］.電池，2002,32(5)。［4］黃瑞霞，朱新功等。鋁空氣電池的應用設計［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展［J］.電源技術,2003(02)［6］鞠克江，劉長瑞，唐長斌等.鋁空氣電池的研究進展及應用前景［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展［J］.電池，2005,35(2)［8］ 唐有根，劉小鋒，宋永江.鋁空氣電池負極材料處理研究進展［Z］。2008［9］ 唐有根，盧凌彬。鋁空氣電池的研究［J］。中山大學學報(自然科學版),2003,42(zl)。［10］余祖孝，陳昌國，羅忠禮.鋁空氣電池電解液的研究現狀［J］?；瘜W研究與應用，2004,16(5)［II］ 吳瞳,鞠克江，劉長瑞.空氣電池陽極材料及制備工藝對性能的影響研究［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展［J］.電源技術，2003(12)［14］ 樓帥，衛(wèi)澤敏.鋁電池小探究［J］.化學教學，2009(5).［15］ 馬正青，左列，龐旭等.鋁電池研究進展［J］。船電技術,2008,28(5)［16］ GunterS,PEFCSfornavalshipsandsubmarines:manytasks,onesolution［J］1998QisteinH;NilsS,Electrochemicalpowersourcesforunmannedunderwatervehiclesusedindeepseasurveyoperations[J]2001(1)SHENPK;TsengACC;KuoCDevelopmentofanaluminum/seawaterbatteryforsub一seaapplication [