鋁空氣電池的開發與應用進展

王 眾

國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心

鋁空氣電池的開發與應用進展

王 眾

國家鋁合金壓力加工工程技術研究中心

在近年來被用于越來越多的領域，為人們的生活帶來非常多的便利。特別是鋁作為陽極的空氣電池應用中，鋁的化學能力密度高，電化學轉化率高以及鋁的儲量豐富都讓鋁成為未來空氣電池的主流。近些年的研究主要是如何改進鋁作為陽極的形式，從過去主要的三種形式，如今結合生產生活，固定的形式也在被打破，形式越來越靈活多樣.

鋁空氣電池；形式；催化劑

一、概述

現如今電解鋁產業是耗能最為嚴重的產業之一，通過能量守恒就可以知道，對于鋁電解池逆向來進行就會釋放大量的能量。換言之，鋁電池的具有非常現實的應用基礎。鋁的電化學當量3Ag/g,每克鋁釋放的能量相對鐵、鎂等金屬要多很多。并且自然界鋁的儲量非常豐富，金屬鋁加工相對也簡單很，因此目前開發鋁電池是具有非常廣闊的應用前景。

另一方面，既可以作為陰極，也可以作為陽極。在1850年，鋁首次作為電池的陽極出現是世人面前，經過幾年的研究，在1857年，鋁又實現了作為電池的陰極出現。在1950年，Al/MnO2電池的出現，才真正意義上讓鋁電池走入千家萬戶，至今依然應用廣泛。1960年首次經過很多次試驗，終于完成了鋁空氣電池研究，從此，我們的生活就和鋁空氣電池息息相關，可以說時時刻刻都伴隨著我們左右，特別是野外出行，鋁空氣電源更是必不可少的裝備。

鋁空氣電池（電源）鋁是作為陽極，空氣是作為陰極。鋁空氣電池電池的特點非常突出，其能量密度非常高，并且電量供應非常平穩，是目前金屬-空氣電池的首選。

二、鋁空氣電池的開發

（一）鋁空氣電池陽極的開發

鋁首先給人們的印象不是很較活波的金屬，因為其在空氣中不怎么變化。但是其實金屬鋁在空氣中能迅速的氧化，氧化會在金屬鋁表面形成一層致命的氧化薄膜，就會阻止鋁繼續氧化，并且氧化薄膜和鋁的顏色沒有差別，所以給人們很大的誤導。

但是其實在化學研究的時候卻發現鋁其實是非常活波的金屬鋁很容易就會失去電子被氧化。

鋁在電解質溶液中首先會失去電子，形成放電反應：

伴隨著反應的進一步進行，Al(OH)4越來越多，之后就會形成Al(OH)3沉淀，OH離子也會被釋放出去。

但是Al在電解質溶解中也會和H2O發生反應，產生一些H2。

不過這部分反應是會無效反應，會白白浪費掉一部分鋁，所以在實際的電池反應中應該被避免掉。早起的鋁電池放點的效率一直都很低，就是因為過多的鋁被無效反應消耗掉了。

通過研究發現，如果鋁中存在著一些比Al金屬性要弱的金屬，比如Fe、Cu等就會讓鋁和鐵、銅等在電解質中又形成電池反應，加劇鋁的無效反應。因此，早期的研究的一大目的就在要提高鋁的純度提高鋁的放電效率。

（二）鋁空氣電池陰極的開發

鋁電池陰極的開發稍稍比陽極的開發晚一步，并且的確鋁電池的陰極的確要比做陽極困難很多。鋁作為電池的陰極反映需要借助貴金屬作為催化劑才能實現。這是因為鋁做陰極的反應需要有氣體擴散電極，通過氣體擴散電極才能有效的增加電極的反應面積，增加電池的轉化率，讓鋁做陰極的電池具有實際的意義。

當然，這種研究大部分是在實驗室當中完成的，實際中的應用前景并不是很大，生活真也很少會出現鋁做陰極電池。這也是因為貴金屬催化劑做成的氣體擴散電極造假昂貴，且催化劑消耗嚴重，成本高昂讓其市場推廣舉步維艱，近些年來，科學家一直都在積極研究改進氣體擴散電極，希望能夠找到新的相對廉價的金屬代替貴金屬的使用。

（三）鋁空氣電池電解質與添加劑

鋁空氣電池電解質有堿性溶液也有鹽水溶液。在堿性溶液中，陽極鋁的極化很小，這就使得鋁的能量密度變高了。常用的堿性電解質溶液用的是氫氧化鉀和氫氧化鈉。

鹽水溶液最為方便的就是氯化鈉溶液，很多時候會直接用海水代替，簡單且成本低廉。但是隨之未來的問題就是氫氧化鋁膠體的大量產生造成一些問題，經常在電解質溶液中加入少量的硫酸鈉，碳酸氫鈉等來緩解膠體產生。

三、鋁空氣電池的應用

上文中也提到過，鋁空氣電池的應用主要還是鋁作為陽極存在。電解質中形成的氫氧化鋁在并不是純粹的沉淀顆粒，在初期形成的時候是呈現的膠體狀，在電解質溶液中形成的過多的膠體會讓電解質的電導率降低并且會抑制反應的正向進行。因此鋁作為陽極的問題關鍵就是如何有效的及時的將鋁作為陽極反應產生的氫氧化鋁沉淀清除掉，才能保證反應的持續快速進行。

而現實中關于此做過非常多的研究，主要就集中在鋁陽極改如何設計才顯得高明。鋁做陽極的電池主要有三種形式，第一種也是最為傳統的形式就是不停的更換陽極，保證電池反應正常進行；第二種就是將鋁電池陽極做成楔型，增加陽極的接觸面積；第三種形式是將鋁陽極做成顆粒形狀也是為了增加反應的接觸面積，并且還能實現自動換陽極。

當然在實際生活中有時候，鋁電池還會被用在特殊的地方就會有另一些特殊的辦法，比如在海港附近或者在海上作業平臺，鋁空氣電池會直接將鋁做成電纜形狀放進海里作為陽極一方，電纜的和海水接觸的表面作為陰極。由于特殊的地理環境電纜可以做的很長，海水無限的多足以容納足夠多的氫氧化鋁讓整個反應非常高效。

四、結論

鋁是一種非常高效的制作電池的材料，其電化學性能各方面都非常突出，尤其是其能量密度非常高，電能轉化率高而得到廣泛的應用。隨著研究的深入，鋁空氣電池被賦予更多更有效反應催化劑，讓反應更加的高效；同時鋁作為陽極的設計形式也越來越多樣化越來越靈活都給鋁空氣電池帶來更為廣闊的應用前景。

[1]李慶峰,邱竹賢.鋁電池的開發與應用進展[J].東北大學學報,2001,02:130-132.

[2]劉宇嶸.堿性鋁—空氣電池陰極材料研究[D].中南大學, 2013.