铝空气电池研究现状及发展趋势详解

　　铝-空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。作为一种特殊的燃料电池，铝- 空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。

　　金属空气电池概述

　　锂离子电池拥有较高的比能量，是目前研究较成熟且已经大规模商用的二次电池，但是近几年来，面对移动电子设备和电动汽车等领域的巨大发展，锂离子电池已难于满足其大容量的需求，特别是对能源依赖性很强的动力电池体系。因此，拥有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生，比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。

　　由于这类电池的正极活性物质主要来源于空气中的氧气，理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量主要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量。

　　其中，铝-空气燃料电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。作为一种特殊的燃料电池，铝- 空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。

　　铝空气电池结构和原理

　　图1 是铝空气电池的结构原理图

　　从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：

　　（1）比能量高。铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到8100Wh/kg 目前研发的产品已经能达到300-400 Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。

　　（2）比功率中等。由于空气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，导致电池的比功率只能达到50-200 W/kg。

　　（3）使用寿命长。铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。

　　（4）无毒、无有害气体产生。电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al2O3·nH2O，可用于干燥吸附剂和催化剂载体、研磨抛光磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。

　　（5）适应性强。电池结构和使用的原材料可根据实用环境和要求而变动，具有很强的适应性。

　　（6）电池负极原料铝廉价易得。相比于其他的金属，金属铝的价格比较低，金属阳极的制造工艺比较简单。

　　铝阳极（负极）

　　铝（Al）是一种理想的电极材料，金属铝的理论能量密度为8.2W·h/g，在常见金属中，仅次于锂的13.3W·h/g，电极电位较负，是除金属锂以外质量比能量最高的轻金属电池材料。铝空气电池的质量比能量实际可以达到 450Wh/kg，比功率达到 50~200 W/kg。具有理论容量高、消耗率低、质量轻、电位负、资源丰富及易于加工等优点，得到广泛研究。

　　但是由于铝是一种很活泼的两性金属，目前铝阳极的发展还受到以下几个问题的影响。

　　（1）铝表面有一层钝化膜，影响了铝的电化学活性。

　　（2）铝是一种两性金属元素，这就决定了它在强碱性环境下易析氢腐蚀，影响电极电位，产物浮着在电解液中影响整个电化学反应的进行。

　　（3）空气电池独特的半开放的体系，使空气电极容易受到外界湿度的影响，发生铝阳极的"淹没"或"干涸"，甚至"爬碱"或"漏液"，现象从而对整个空气电池的结构造成破坏。为了解决上述问题，国内外学者从以下三个方面进行了研究：

　　1、铝阳极合金化

　　工业级铝（99.0%）含有较多的杂质，如铁（0.5%）、硅、铜、锰、镁和锌等，会使相界面处铝的析氢腐蚀加剧，特别是铁会与铝形成局部原电池，导致电化学腐蚀成倍增加。可向铝中加入既能提高化学活性、又可提高耐腐蚀性的合金成分。

　　铝合金合金化需要加入的元素所需要满足的条件有 ：①合金元素的熔点要低于金属 Al ；②在 Al 中固态饱和度较高；③电化学活性高于 Al ；④在电解质中溶解度较高；⑤具有较高的析氢过电位。此外，将阳极金属加工成超细晶材料，可进一步提高阳极效率。

　　2、 电解液中加入缓释剂

　　由于阳极合金化有一定的成本问题所以人们经常会选择在电解液中加入一些缓释剂来保证铝空气电池的性能。一些羧酸类、胺类、氨基酸类缓释剂及其对铝腐蚀的抑制效率如表1 所示：

　　研究者们使用天然物质作金属铝腐蚀的抑制剂，实验证明有机胺类、吡咯等对铝的腐蚀有明显的抑制作用。通过向强碱电解质中添加有机物、水溶性化合物来研究铝金属阳极的电化学行为降低铝的腐蚀速度，进而提高铝空气电池的性能。

　　3、 热处理工艺

热处理通过改变铝合金中微量元素的分布和合金表面的微观结构，来影响合金性能，属工艺学的研究范畴。通过适合的正交实验可找到最佳的热处