铝空气电池研究现状及发展趋势详解

理工艺。

　　电解液

　　铝空气电池的电解液多为中性盐溶液或强碱性溶液。当使用中性电解液时，阳极自腐蚀小，但铝阳极表面钝化严重，使工作电压降低，电池的功率和电流难以提高，还会导致电压滞后，产物氢氧化铝胶体也会沉降、阻塞电解液，因此这类电池只能作为小功率的电源输出装置。

　　当使用强碱性电解液时，铝的钝化减少，且碱液可吸纳一定量的反应产物氢氧化铝，电池的性能相对较好，但铝是两性金属，在强碱性环境中会发生强烈的析氢腐蚀，放出大量氢气，降低电池的输出功率和阳极利用率，在大电流密度下更严重。如果是单纯的解决上述问题可以选择定期更换电解液和向电解液中加入能活化铝阳极表面和抑铝析氢腐蚀的添加剂来解决上诉问题。

　　空气电极（正极）

　　阴极是O2 的反应场所，具有透气、导电、防水、抗腐蚀及催化作用，也常叫做空气电极。空气电极一般由多孔催化层、导电集流体和防水透气层 3 层结构组成：多孔催化层是氧气被还原的主要场所，在这里，扩散进入的氧气、氧还原催化剂与薄层电解液交界处形成三相界面电化学活性位点；导电集流体主要起导电和机械支撑的作用；防水透气层具有疏松多孔憎水的结构，既为催化层提供反应所需的气体，又防止电解液将气体扩散通道淹没。

　　催化层是空气电极的最关键部分，对其电化学性能起着决定性的作用，铝空气电池的性能很大程度上取决于所选用的阴极催化剂。空气电极性能又能直接影响电极反应平衡，因此，提升其性能可以在一定程度上提高铝空气电池阳极的利用率，抑制阳极铝的自腐蚀。

　　常用的催化剂铝空气电池的催化剂有以下几种：

　　（1）贵金属催化剂。常用的是铂和银，其催化活性高性能比较稳定，但是由于价格比较昂贵且资源短缺所以可采用率不高。

　　（2）金属大环化合物催化剂。有机金属大环化合物对氧气还原有良好的催化活性，特别是当它们吸附在大表面积碳上时。且它们的活性和稳定性可通过热处理得到显著提高。因此可望代替贵金属氧气还原催化剂。常见的金属大环化合物的合成方法有热分解法和前驱体制备法。但是由于热分解法的热处理过程会导致金属大环化合物与碳基体发生反应，前驱体法制备的催化剂活性差，所以应用也存在有一定问题。

　　（3）钙钛矿型氧化物催化剂。钙钛矿型氧化物对氧气的还原和析出具有较高的催化活性，且价格低廉，因此在铝空气电池和燃料电池中具有广阔的应用前景。现在的对钙钛矿氧电极催化剂的研究主要集中在改进制备方法和寻找新的取代元素以提高催化性能。无定形前躯体法，特别是苹果酸前躯体法，能制备出晶粒细小、大比表面积的钙钛矿氧化物，从而大大提高它们的催化活性，是目前较好的制备钙钛矿氧化物的方法。

　　（4）廉价催化剂。最主要的代表是二氧化锰催化剂，它的最大优势在于原料丰富、成本低廉可广泛应用于水性或非水性电解液的电池，但是单一的二氧化锰电催化活性有一定限制，所以人们在这方面的研究从来没有停止。

　　（5）AB2O4 尖晶石型氧化物催化剂。尖晶石的晶格为面心立方。单位晶胞中有32 个密堆积的02- 离子，64 个四面体空隙和32 个八面体空隙被金属离子占据。尖晶石的脱水活性与B 离子位于四面体空隙的分数有关，分数越大，催化剂表面酸性增加，脱水活性增大，一般铝空气电池不采用这种催化剂。

　　（6）其他金属及合金催化剂。镍相对便宜，并且在碱性电解质中阳极极化条件下有很高的耐腐蚀性，同时在金属元素中镍的析氧效率是最高的，所以传统上用镍作为碱性水电解阳极材料。还经常采用镍铁、镍钴等合金催化剂，它们有很好的催化活性和耐腐蚀性，也是铝空气电池的一个可考虑的催化剂方向。

　　（7）复合催化剂。将两种或两种以上的催化剂复合在一起来更好地提高铝空气电池的空气电极的催化活性。

　　铝空气电池应用展望

　　目前铝空气电池尚未在工业和民用领域得以大规模推广应用，主要是由于材料制备技术有待完善和对其二次充放电的理念的认识。

　　在技术层面：铝空气电池的实测比能量和放电效率与理论值相差较大，其中存在的主要技术问题，包括

　　（1）铝阳极自腐蚀和析氢在很大程度上制约了其放电效率，铝阳极的表面钝化影响了其放电响应时效；

　　（2）电解液与阳极的匹配性，既能与铝电极形成快速的阳极氧化反应响应机制，又能够保持离子传递的高效与稳定，氧化产物的可循环性等；

　　（3）空气电极的结构，导电集流层电流的自损耗 ，空气电极催化剂的氧还原能力等，均有待进一步优化提高。

铝空气电池作为二次电池的构想：铝空气电池作为金属燃料电池，一般