鋁空氣電池技術在國防軍工領域應用分析

祝樹生，李志國，王小輝，解春雷

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076)

鋁空氣電池技術在國防軍工領域應用分析

祝樹生，李志國，王小輝，解春雷

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076)

鋁空氣電池作為新型的燃料電池，具有比能量高、無毒、無污染、內阻小、貯存壽命長等特點，目前主要應用于工業領域。結合鋁空氣電池技術特點和發展情況，介紹了鋁空氣電池技術在國防軍工領域的應用，并對鋁空氣電池的關鍵技術和發展現狀進行了分析。

鋁空氣電池；國防軍工；應用分析

鋁空氣電池是以空氣中的氧為正極活性物質，鋁合金為負極活性物質，空氣中的氧氣通過氣體擴散電極到達化學反應界面，與鋁反應，放出電能。鋁空氣電池具有無毒、無污染、比能量高、內阻小、貯存壽命長、價格相對便宜、工藝技術要求較低及能再生利用等優點[1]。鋁空氣電池作為非充電電池，早在20世紀60年代便已問世，但由于其放電過程中陽極腐蝕會產生氫，這不僅會導致陽極材料的過度消耗，而且還會增加電池內部的電學損耗，因此其商業化進程較慢[2]。

1 鋁空氣電池工作原理

鋁空氣電池的負極是鋁合金，它在放電過程中溶解，生成Al(OH)3；正極是多孔性氧電極，跟氫氧燃料電池的氧電極相同，電池放電時，從外界進入電極的氧(空氣)發生電化學反應而釋放出電能，生成OH-。電解液可分為兩種：一種為中性溶液或鹽性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)；另一種是堿性溶液。因而可以認為鋁空氣電池是半個燃料電池。鋁是一種活性金屬，它比鋅、鋰和鐵之類的金屬更吸引人，它具有高的比能量，高的比功率密度。鋁空氣電池總的放電反應為：

鹽性電解液和堿性電解液電池的不同之處主要體現在電壓和反應物兩個方面。從可充電性來看，該電池可分為一次電池和可機械充電的二次電池(即更換鋁負極)。正極使用的氧化劑，可因電池工作環境不同而異。電池在陸地上工作時使用空氣；在水下工作時可使用液氧、壓縮氧、過氧化氫或水中溶解的氧。圖1為鋁空氣電池工作原理圖。

圖1 鋁空氣電池工作原理圖

2 鋁空氣電池特點

(1)比能量高。電池理論比能量可達2 290 Wh/kg，目前實際上已經達到300～400 Wh/kg。這一數值遠高于其他各種電池。

(2)比功率中等。達到50～200 W/kg，這一特性顯然是由氧電極所決定的。因為氧電極的工作電位遠離其熱力學平衡電位，其交換電流密度很小，電池放電時極化很大，所以氫氧燃料電池的比功率不高。

(3)使用壽命達到3～4年。這也取決于氧電極的工作壽命，因為鋁電極是可以不斷更換的。

(4)充電時間短。只需數分鐘便可完成，傳統電池需要數小時才能完成。

(5)無毒、無有害氣體，不污染環境。電池反應消耗鋁、氧和水，生成Al(OH)3。后者是目前用于污水處理的優異沉淀劑。

(6)可設計成電解液循環和不循環兩種結構型式，便于根據不同的使用場合進行設計。不循環電解液電池結構簡單，正極在最外面，負極在中間，電解液在最里面。循環電解液的機械充電電池的廢電解液和廢負極更換起來比較容易，可使負極總是保持較高的效率。

(7)鋁資源豐富，原料充足。我國鋁資源比較豐富，開發和生產該種電池不存在原料供不應求的問題。

3 鋁空氣電池的研究進展

加拿大美鋁公司(Alcoa)和以色列公司Phinergy、Voltek公司及其合作伙伴在開發鋁空氣電池方面做了大量的研究工作，取得了很大進展[3-4]。Phinergy公司目前已開發出一種金屬鋁陽極專用生產工藝，該工藝可以提高金屬鋁的能力利用，并降低不必要的化學反應能量消耗。Phinergy公司還表示，其還開發了一套先進的電池管理系統，目的是為了提高電池的能量利用。Phinergy鋁空氣電池的空氣陰極配備有專用銀基催化劑，其采用了獨特的創新結構，該結構可以使氧氣順利通過，而將二氧化碳阻隔在外。通過該創新結構，Phinergy鋁空氣電池的空氣陰極可以有效避免電極的碳化問題，其工作壽命也因此可以達到數千小時。Phinergy鋁空氣電池工作時，其內部的金屬鋁反應變為氫氧化鋁。而氫氧化鋁可以經過鋁廠加工進行回收利用，這樣便可以實現可重復利用。

Voltek公司則對整個電池系統和部件作了進一步的改進，制成了Voltek Fuel Pak型鋁空氣燃料電池系統，不但提高了電池的輸出特性，延長了使用壽命，簡化了使用維護程序。采用了鋁合金負極，電池體系輸出比能量達到 300～400 Wh/kg，且該電池既可以適用鋁又可以適用鋅，改變了過去只能適用一種金屬的設計。Voltek Fuel Pak型電池加入了系統工作狀態自動控制功能，升溫啟動、工作時的溫度、電壓調整等均采用微處理器進行邏輯控制，并且有自動防止故障特性的功能。鋁負極由使用99.999%超純鋁改為使用不含鐵的99.9%化學鋁，降低了成本。

4 航天領域電池技術的整體水平狀況分析

4.1 鋅銀電池

鋅銀電池從20世紀60年代開始至今已在我國多個型號上使用，其比能量為200 Wh/kg，其設計技術和工藝技術都很成熟，環境適應性較高，電壓輸出穩定。該類電池工作需要在一定溫度下，當溫度低于20℃，在沒有加熱措施情況下，初始加載大電流會存在電壓低頭，有可能出現不滿足使用要求的現象。鋅銀電池主要應用于機動性、可靠性、安全性要求較高，工作時間較長的場合，目前已在衛星及導彈武器上廣泛使用。

4.2 鋰離子電池

鋰離子電池是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子化合物組成。鋰離子電池能量密度典型值(電池芯)僅150～240 Wh/kg，使用壽命一般可達到5年以上。該類電池技術成熟，可靠性高，低溫放電能力高，目前已在我國航天、航空、航海、電子、兵器等多個領域廣泛使用。

4.3 氫鎳電池

高壓氫鎳電池是把傳統的鎘鎳電池的鎳電極與燃料電池的催化氫電極結合在一起而組成的化學電源體系。由于電池中的負極活性物質氫是以氣態氫氣的形式存在，因此高壓氫鎳電池必須在一個密閉的壓力容器中才能工作，能量密度通常為40～60 Wh/L。由于鎳電極和氫電極具有極強的使用壽命，因此高壓氫鎳電池是使用壽命最長的化學電源體系，同時具有極強的耐過充電及過放電特性，可靠性高，耐用性好。

4.4 熱電池

熱電池是一種熔融鹽電解質貯備電池，在常溫下電解質是不導電的固體，使用時通過撞擊火帽或點燃電發火頭，引燃單元熱電池內部的煙火熱源，使電解質熔融，激活熱電池組，從而提供用電設備所需的電流和電壓。比能量達到50 Wh/kg，比功率達到2 500 W/kg。熱電池具有激活時間短、可任意角度激活、貯存時間長的特點，其主要應用在機動性要求高，工作時間短，瞬間工作電流大的場合，目前已在我國多個導彈武器型號使用。

4.5 小結

從各種類型的星/彈上電池特點看，其比能量密度、可靠性和安全性是電池成敗的關鍵特點，截止目前鋁空氣電池的實際比能量雖然只達到350 Wh/kg，但已是鉛酸電池的1.8倍、氫鎳電池的5.8倍、鋰電池的2.3倍，從比能量角度看已經很高。由于屬于新技術，所以其安全性和可靠性需要進一步加強。

5 應用分析

由于鋁空氣電池結構的可變性，針對返回式或重復使用式航天飛行器如返回艙或可重復使用火箭，通過將空氣直接替換為預置氧氣的方式來完成電源轉換。對于一次性飛行器如導彈、衛星等可設計成封閉式結構。

在航海領域，目前水面船只航行時的動力基本靠柴油發電機組提供，潛艇水下航行時則完全由鉛酸蓄電池組提供動力。對于長時間在海上航行的潛艇和船只，由于其柴油存儲和鉛酸蓄電池組的容量有限，其航行時間和距離就受到了較大限制。目前德國使用的以鋁氧燃料電池組成的動力系統使能量轉換效率高達60%以上，可使潛艇水下航行里程延長一倍。

在地面作戰領域，我國軍隊使用的地面大型車輛、作戰坦克、運兵車等均采用柴油發動機，在地面運動過程中紅外特性較大，而且受限于油箱容積，其機動距離受限。如果采用鋁空氣電池后，其紅外特性會有顯著下降，機動距離會變為現在的2倍以上。

6 結束語

由于我國具有豐富的鋁資源，并且鋁是開發電池的理想電極材料，其放電過程的產物不會對環境等造成污染，具有安全、環保、造價低、質量輕、體積小和比能量高等優點，因此鋁空氣電池在我國國防領域有著廣闊的應用前景。

[1]ROGER A P.The aluminum air battery[J].Light Metal Age,2000, 58(3/4):108-110.

[2]任志偉，周德璧，屠賽琦.鋁空氣電池陰極材料的制備及電性能[J].電源技術，2007,31(9):706-708.

[3]桂長清.鋁空氣電池的前景[J].電池，2002,32(5)：305-307.

[4]王振波，尹鴿平，史鵬飛.鋁電池用合金陽極的研究進展[J].電池，2003,33(1):41-43.

Application of aluminum air battery in high-tech defense industry

As a new-fashioned fuel cells,aluminum air battery had many advantages such as high power and energy density,nontoxic,non-polluting,long life,also they played an important part in industry.Combined with performances and development of the aluminum air battery, the application of aluminum air battery in the high-tech defense industry was reviewed,and the key technology and the development status were analyzed.

aluminum air battery;national defense;analysis of application

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2316-02

2015-03-27

祝樹生(1984—)，男，山西省人，工程師，主要研究方向為電氣系統總體設計。