铝-空气电池

华中科技大学，徐长发，2017.5.30

电动汽车什么时候能够大量使用，其核心问题是，电动汽车采用什么电池为好。铅酸电池和通常的锂电池自重大，蓄电能力不足，续航能力差，它们作为动力驱动电池显得能力不足。氢燃料电池有续航潜力，但是氢燃料带来一些不安全问题。铝-空气电池只要加水就能发电，不仅质量轻、安全，而且续航能力强，铝-空气电池在目前被认为是电动汽车驱动电源的较理想的选择。

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：

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，美国铝业公司与以色列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，该公司又展示了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。

空天科技有限公司，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，云铝股份与创能公司合资，成立了云南云铝慧创绿能电池有限公司，该新公司将投资建设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成立合资公司，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。该公司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，该公司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采用锂电池的公司。

2016年11月，德阳东深新能源科技有限公司，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。

五.铝空气电池前景

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。

此文章版权归属徐长发所有