鋁 空氣電池的應用及設計

1、鋁 空氣 空氣電池的 池的應用及 用及設計 設計鋁-空氣電池的應用及設計黃瑞霞，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程和特點；簡述了鋁空氣電池的原理。重點介紹了鋁空氣電池的應用領域、設計模式以及可以達到的性能指標。關鍵詞：鋁空氣電池；半燃料電池；設計模式；性能鋁-空氣電池是以鋁合金為負極、空氣電極為正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解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

2、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；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-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Elecro-dy-namics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

3、系統(tǒng)Voltek A-2，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Aluminum Power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Aluminum Power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240~400 Wh/kg，功率密度達到22.6 W/k

4、g；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，據報道只有哈爾濱工業(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[1]，其中哈爾濱工業(yè)大學做了1 kW的機器人用鋁空氣電池組，并做了機器人樣機試驗，性能達到了其設計指標[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轉換器聯用，以便提供高效的長期

5、或短期用能量包(RPU)。RPU首先在通訊及其相關領域得到應用。發(fā)電機組啟動時的不穩(wěn)定性以及鉛蓄電池所需的龐大體積和質量使得RPU這種性能穩(wěn)定、維護成本低廉的電源頗具吸引力，外加其運行時低噪音、低消耗、無污染、無廢氣產生等特點，山村和邊遠地區(qū)通訊設備制造廠家對其非常關注。英國、加拿大、法國、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。此種電源包的問題在于隨著放電深度的增加，其啟動時間也會隨之延長，原因在于隨著放電深度的增加，電

6、解質的電導率下降，電壓及其功率輸出隨之下降，使得RPU花費較長的時間達到操作溫度(60℃)，這直接影響了達到設備正常運行功率所需要的時間。另外一個原因在于，隨著放電深度的增加，碳酸鹽、鋁酸鹽、氫氧化鋁膠體等反應產物堵塞了陰極材料孔隙，這些產物的移除跟電解質濃度和反應溫度相關。這種缺陷可以通過放電過程中使用特殊裝置對正極材料進行不斷沖刷而改進。這種電池最基本的設計如圖1所示，電池組的排列和單電池的結構如圖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(不使用時電解液不進入電堆內)，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，泵送電解液流經正負極間的空隙到達各單電池頂端的堰并由各支路回到電解液池，一部分電解液經過熱交換器(冷源是冷卻風扇提供的空氣流)進行溫度控制。鼓風機使反應所需的空氣依次流經電解液池周圍的空間、過濾器、陰極表面，然后排出整個系統(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中鋁酸鉀逐漸飽和，接著達到過飽

8、和，最后電解質電導率降低，導致電池無法使負載正常工作，基于總電解質體積的電池容量便到了終點。此時更換電解質，電池又可以繼續(xù)放電直至鋁負極耗盡[8]。一種1 200 W的鋁-空氣電池在電解質容量模式下，電池總的放電時間36 h，而在更換一次電解質且鋁負極耗盡的模式下，電池總的放電時間是48 h，體積比能量和質量比能量分別超過了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