铝空气电池综述
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铝空气电池综述

周荣灿

摘要:铝空气电池是实际比能量高达300~400Wh/kg且对环境非常友好的优秀电池;电池结构和使用的原材料可根据实际环境和要求而变动,具有很大的适应性;它既可用于陆上又可用于深海,既可用作动力电池,又是长寿命高比能的信号电池。

关键词:铝电池;空气电池;

Aluminum air battery

Abstract :Aluminum/air(oxygen)fuel cell is one of long-life and high energy density batteries with actual specific energy reached 300-400 Wh/kg, and may be environment. Its structure and materials to be used may be determined according to the demand of users, having excellent adaptability. This batteries may operate not only on land but also in sub-sea, and be used as power source or signal battery.

Key words: Aluminum battery; Air battery;

引言

人类社会的快速发展和人口的迅速增长以及对石化资源的大量利用,造成温室效应、大气污染和酸雨等环境恶化。这迫使人们在选择能源时,会优先于资源丰富、对环境友好的能源。铝是地壳中含量最多的金属元素,具有来源广、能量密度较高、无毒性、存放稳定等优点。自20世纪40年代起受到人们的关注,在多个领域有所利用,尤其是电池领域。 什么是铝空气电池

铝空气电池是以铝合金为负极、空气电极为正极、中性水溶液或碱性水溶液为电解质构成的一种新型高能量化学电源,属于半燃料电池。该电池具有能量密度大、质量轻、材料来源丰富、无污染、可靠性高、寿命长、使用安全等优点。最早于20世纪60 年代由美国的Zaromb 证明了其技术的可行性;

铝空气电池的特点

A. 比能量高,电池理论比能量可达2290wh / kg,目前实际上已经达到300 ~ 400wh / kg。这一数值远高于当今各种电池的比能量。虽然电池的比能量与此相当,但其安全性不好,这使它无法用于动力电池。

B. 比功率中等,达到50 ~ 200w / kg,这一特性显然是由氧电极所决定的。因为氧电极的工作电位远离其热力学平衡电位。其交换电流密度很小,电池放电时极化很大。氢氧燃料电池的比功率不高,其原因也在于此。

C. 使用寿命达到 3 ~ 4 年。这也取决于氧电极的工作寿命,因为铝电极是可以不断更换的。

D. 无毒、无有害气体,不污染环境。电池反应消耗铝、氧和水,生成。后者是当今用于污水处理的优异沉淀剂。

E. 可设计成电解液循环和不循环两种结构形式,便于因使用场合不同而进行设计。 F. 铝资源丰富,原料充足。

铝空气电池的工作原理

铝空气电池的负极是铝合金,在电池放电时被不断消耗,并生成;正极是多孔性氧电极,跟氢氧燃料电池的氧电极相同,电池放电时,从外界进入电极的氧(空气)发生电化学反应,生成;电解液可分为两种,其一为中性溶液(或水溶液或海水),另一种是碱性溶液。可以认为铝/空气电池是半个燃料电池。

电池总的放电反应为:

中性溶液

碱性溶液

电池的结构

铝空气电池的容量取决于铝阳极结构和电解质中沉淀的处理。关于铝阳极结构的设计有三种方案。最普通的一种采用定期更换阳极。另一种是采用楔型阳极,在倾斜放置的两片阴极之间,通过重力来实现自动进料。第三种方案是采用铝屑、铝珠或铝颗粒作阳极,自动进料。随着电解质中的生成,电导率下降,另外累积的可以形成过饱和溶液,而使电解质变成糊状甚至半固体状,因此需要采取技术措施。常用的方法有采用有定期更换电解质、循环电解质或向电解质中添加晶种来沉淀" 。相应的电池设计包括沉淀和过滤装置等。此外还应考虑到电池的干式储放、启动和散热等问题。

研究现状

70年代,集中于电视广播、航海航标灯、矿井照明等电源用铝空电池的研究,美国能源部曾投资几百万美元支持劳伦斯一利佛莫国家实验室(LLNL)研制替代内燃机的金属空气电池,后来由LLNL 和Electro-dynamics 及Dow 化学公司等联合组成Voltek 公司,终于开发出

实用化的动力型金属空气燃料电池系统Voltek A2,是世界上第一个用来推动电动汽车的铝空气燃料电池系统;

80年代,挪威国防研究所、美国水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司着手探索将铝空气电池应用于UUV(无人水下航行器) 、DSRV(深海救援艇) 和AIP 潜艇的可能性,加拿大的Aluminum Power公司采用合金化的铝阳极和有效的空气电极,将其发展为安全、可靠的电池体系,能量密度在240~400 Wh/kg,功率密度达到22.6 W/kg;

90年代后迎来发展高潮,在便携式电源、备用电源、电动车电源以及水下推进装置应用方面都获得了飞速的发展。国内研究铝空气电池的单位较少,据统计只有哈尔滨工业大学、武汉大学、天津大学、北京有色金属研究院等在氧电极、合金阳极方面做了部分工作,其中哈尔滨工业大学做了1 kW的机器人用铝空气电池组,并做了机器人样机试验,性能达到了其设计指标。

虽然铝空气燃料电池已经取得了很大的发展,但是目前仍未能实现商业化。主要原因在于一些相关技术仍未十分成熟,仍然存在一些问题没有解决。一般的中、高功率大型铝空气燃料电池组或电池堆都需要空气循环系统和电解液循环系统。对于空气循环系统主要是如何降低空气中的,以消除空气电极上的碳酸盐的生成,提高电极性能。虽然银、铂有很好的催化作用,但是存在着催化剂中毒及失效问题,而且价格也比较昂贵,对于商业实用化也是一大障碍。同时四甲氧基卟啉络钴存在着失钴问题及空气循环系统的设计问题。因此必须开发质优价廉的新型催化剂如等,并且采用纳米技术也是很重要的研究课题。对于电解液循环系统虽然可以添加特殊的抑制剂,使三水铝石结晶沉淀,以便分离后电解液继续使用,但是分离装置及其进程仍不得而知,系统研究报道也没有。更何况国内关于铝空气燃料电池的相关研究,报道极少,因此远远落后于国外对铝空气燃料电池的研究。

发展前景

1、电动车电源的有力竞争者

当前制约电动车产业发展的主要因素不是电动车本身,而是其动力系统,更确切地说是电池。从金属空气电池(包括铝空气电池和锌空气电池)的本性和进展状态来看,它在其他竞争者面前具有非常诱人的魅力。首先,铝空气电池具有 300 ~ 400wh / kg高比能量,这是上述任何一个竞争对手难以达到的,同时又是电动车行驶距离得以跟汽油车相比的根本保证。其次,铝空气电池可以采取机械式“充电”,只要几分钟就可以方便地更换新的铝电极,使电池“充足电”,又可继续行驶。这是任何二次电池做不到的。再加上氧电极催化剂成本下降,铝电极利用率提高,促使电池成本大幅度下降。况且电池价格乃是它能否用于电动车、能否被市场接受的最关键性因素。

2、潜艇 AIP 系统的优秀能源

使用铝氧燃料电池取代氢氧燃料电池用于潜艇 AIP 系统之后,其唯一的区别是用铝负极取代了氢负极。Altek 公司的铝空气燃料电池最新研究成果已表明,负极铝的利用率可以达到90%,大于燃料电池的能量转换效率。此外,铝是很轻的金属,它的重量小于氢及氢源装置的总重量。因而整个AIP 系统的重量和体积将会减小,即提高了AIP 系统的能量密度,从而延长了潜艇的一次性水下航行里程。

3、水下机器人的最佳动力电源

挪威的HUGIN3000水下机器人采用铝过氧化氢电池作动力。该电池的氧电极使用由过氧化氢分解而来的氧。每kg 过氧化氢可以生成0.471kg 的氧。当用于铝氧电池工作时,它可以产生2~2.4kWh的电能。电池每次放完电后,铝负极和电解液重新更换,同时要补充过氧化氢,这些工作只要几分钟就可完成。HUGIN3000水下机器人的排水量为2.4立方米,下潜深度达到水下 600~3000m,在900W 额定负荷条件下可以连续工作 48h 。即电池要输出能量43.2kWh ,只需携带过氧化氢18~20kg 即可。

4、价廉物美的高能电源

对于大部分移动网络中继站来说,它们处于偏僻地区,往往无人值班,且早晚气温变化很大,致使蓄电池的浮充电流变大,失水量加大,电池容量下降,寿命缩短。由于铝空气电池的比能量是铅蓄电池的6~8倍,这意味着电池连续工作时间可以延长6~8倍,这对于确保中继站工作的可靠性和减少维护人员的劳动强度,以节约维护费用均是有利的。

结语

A. 铝是一种高强度的能量载体,是开发电池的理想电极材料。在当前资源匮乏、环境日益恶化的情况下,作为备用电源的铝空气电池性能稳定、维护成本低廉,颇具吸引力,外加其运行时低噪音、低消耗、无污染、无废气产生等特点,铝空气电池的研究对于可持续发展有重要意义。

B. 铝空气电池是高比能量对环境友好的电池。新近的开发工作不仅提高了电池性能,而且还大幅度降低成本和简化使用维护程序,使电池向实用化方向迈了一大步。

C. 电池的结构可根据实用要求设计成开放式或封闭式;电解液可以是中性的或碱性的,也可以是循环的或可以是固定的;所需的氧化剂可以从实用环境中“就地取材”,采用空气、压缩氧、液氧、过氧化氢或海水中溶解的氧。

D. 铝空气电池既可用于陆上又可用于深海;既可作动力电源,又是长寿命高比能的信号电源。

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