鋁 空氣電池的應(yīng)用及設(shè)計(jì)

1、鋁 空氣 空氣電池的 池的應(yīng)用及 用及設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)鋁-空氣電池的應(yīng)用及設(shè)計(jì)黃瑞霞，朱新功(中船重工第七一二研究所，湖北武漢430064)摘要：概述了鉛空氣電池的研究進(jìn)程和特點(diǎn)；簡(jiǎn)述了鋁空氣電池的原理。重點(diǎn)介紹了鋁空氣電池的應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)模式以及可以達(dá)到的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：鋁空氣電池；半燃料電池；設(shè)計(jì)模式；性能鋁-空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(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

2、能量密度大、質(zhì)量輕、材料來(lái)源豐富、無(wú)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；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(wàn)美元支持勞倫斯-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(lái)由LLNL和Elecro-dy-namics及Dow化學(xué)公司等聯(lián)合組成Voltek公司,終于開(kāi)發(fā)出實(shí)用化的動(dòng)力型金屬/空氣燃料電池

3、系統(tǒng)Voltek A-2，是世界上第一個(gè)用來(lái)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Aluminum Power公司著手探索將鋁-空氣電池應(yīng)用于UUV(無(wú)人水下航行器)、DSRV(深海救援艇)和AIP潛艇的可能性，加拿大的Aluminum Power公司采用合金化的鋁陽(yáng)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240~400 Wh/kg，功率密度達(dá)到22.6 W/k

4、g；90年代后迎來(lái)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)報(bào)道只有哈爾濱工業(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(yáng)極方面做了部分工作[1]，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)做了1 kW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)，性能達(dá)到了其設(shè)計(jì)指標(biāo)[2]。作為備用電源的鋁-空氣電池一般與傳統(tǒng)的二次備用電源和DC/DC轉(zhuǎn)換器聯(lián)用，以便提供高效的長(zhǎng)期

5、或短期用能量包(RPU)。RPU首先在通訊及其相關(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用。發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性以及鉛蓄電池所需的龐大體積和質(zhì)量使得RPU這種性能穩(wěn)定、維護(hù)成本低廉的電源頗具吸引力，外加其運(yùn)行時(shí)低噪音、低消耗、無(wú)污染、無(wú)廢氣產(chǎn)生等特點(diǎn)，山村和邊遠(yuǎn)地區(qū)通訊設(shè)備制造廠家對(duì)其非常關(guān)注。英國(guó)、加拿大、法國(guó)、意大利等電信公司均正在使用或提供資金研制鋁-空氣電池。此種電源包的問(wèn)題在于隨著放電深度的增加，其啟動(dòng)時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng)，原因在于隨著放電深度的增加，電

6、解質(zhì)的電導(dǎo)率下降，電壓及其功率輸出隨之下降，使得RPU花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到操作溫度(60℃)，這直接影響了達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行功率所需要的時(shí)間。另外一個(gè)原因在于，隨著放電深度的增加，碳酸鹽、鋁酸鹽、氫氧化鋁膠體等反應(yīng)產(chǎn)物堵塞了陰極材料孔隙，這些產(chǎn)物的移除跟電解質(zhì)濃度和反應(yīng)溫度相關(guān)。這種缺陷可以通過(guò)放電過(guò)程中使用特殊裝置對(duì)正極材料進(jìn)行不斷沖刷而改進(jìn)。這種電池最基本的設(shè)計(jì)如圖1所示，電池組的排列和單電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示[8]。鋁-空氣電池包括上部

7、的電堆和下部的電解液池(不使用時(shí)電解液不進(jìn)入電堆內(nèi))，以及泵送電解液冷卻和電池空氣循環(huán)的輔助系統(tǒng)。電池工作時(shí)，泵送電解液流經(jīng)正負(fù)極間的空隙到達(dá)各單電池頂端的堰并由各支路回到電解液池，一部分電解液經(jīng)過(guò)熱交換器(冷源是冷卻風(fēng)扇提供的空氣流)進(jìn)行溫度控制。鼓風(fēng)機(jī)使反應(yīng)所需的空氣依次流經(jīng)電解液池周圍的空間、過(guò)濾器、陰極表面，然后排出整個(gè)系統(tǒng)。電解液是含有錫酸鹽添加劑的8 mol/L KOH溶液。在電池放電期間電解質(zhì)中鋁酸鉀逐漸飽和，接著達(dá)到過(guò)飽

8、和，最后電解質(zhì)電導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電池?zé)o法使負(fù)載正常工作，基于總電解質(zhì)體積的電池容量便到了終點(diǎn)。此時(shí)更換電解質(zhì)，電池又可以繼續(xù)放電直至鋁負(fù)極耗盡[8]。一種1 200 W的鋁-空氣電池在電解質(zhì)容量模式下，電池總的放電時(shí)間36 h，而在更換一次電解質(zhì)且鋁負(fù)極耗盡的模式下，電池總的放電時(shí)間是48 h，體積比能量和質(zhì)量比能量分別超過(guò)了150 Wh/L和250 Wh/kg。2.2便攜電源便攜式鋁-空氣電池所用電解液有中性的也有堿性的，一般情況下，它