鋁空氣電池應(yīng)用于汽車動力裝置的技術(shù)現(xiàn)狀及前景展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 上海 200438）

引言

電動汽車通常泛指采用高壓電池與驅(qū)動電機(jī)提供驅(qū)動動力來源的車輛。目前內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率約為38%，考慮到在城市道路上遇到的頻繁啟停，低速行駛，等待信號燈等復(fù)雜交通狀況，其最終效率不超過12%[1]。而純電動汽車可將電能由電動機(jī)轉(zhuǎn)換成汽車的驅(qū)動力，效率可達(dá)80%以上。即使考慮到火力發(fā)電場的發(fā)電效率、輸電效率、充放電效率等整個能量轉(zhuǎn)換過程，其總體效率仍可達(dá)到約19%。

其次，電能是一類二次能源，因此可使用多種一次能源進(jìn)行轉(zhuǎn)化[2]，有效減少了對日漸枯竭的石油資源的依賴[3]。電動車通常可利用夜間的大量富裕電力進(jìn)行充電，有利于維持電網(wǎng)負(fù)荷的均衡性，減少了能源的浪費，并提升了電力系統(tǒng)的自身效益。

不僅如此，純電動汽車在行駛過程中并無廢氣排放，即使以火力發(fā)電的初始狀態(tài)來進(jìn)行排放物計算，總體廢氣排放量相比于內(nèi)燃機(jī)汽車也有所減少[4]。

相比于內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動汽車具備更平穩(wěn)舒適的駕乘環(huán)境，振動及噪聲水平明顯更低。電動汽車可在制動過程中回收動能，但對于內(nèi)燃機(jī)汽車而言，該部分能量僅以熱量的形式進(jìn)行耗散。電動汽車由于直接采用電力驅(qū)動，比采用機(jī)械傳動的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更易于操縱，自動化程度更高。

1 鋁空氣電池

鋁是一類優(yōu)秀的陽極材料，其電化學(xué)氧化涉及3個電子，而鋁的相對原子量較?。▋H為26.98），因此鋁陽極的質(zhì)量比容量可達(dá)2.98（A·h）/g，接近于鋰陽極的3.86（A·h）/g，并且遠(yuǎn)高于鋅陽極的0.82（A·h）/g。同時金屬鋁的密度為2.7 g/cm3，因此鋁陽極的體積比容量可達(dá)8.04（A·h）/cm3，優(yōu)于鋰陽極的2.06（A·h）/cm3和鋅陽極的5.85（A·h）/cm[3，5]。

鋁空氣電池，屬于金屬空氣電池，是一種將金屬材料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。鋁空氣電池早期主要應(yīng)用于航空航天及其他軍事領(lǐng)域。目前存在兩類便攜式鋁空氣充電電池，即鹽電解質(zhì)充電電池及堿性電解質(zhì)充電電池[6]。

鹽電池可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，電池本體則可進(jìn)行干燥運輸及折疊，使用時可采用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)成的水源[7]。堿性電池則被應(yīng)用于高功率工作環(huán)境，在實際應(yīng)用前加入堿性溶液進(jìn)行激活。該兩類電池可在干燥狀態(tài)下進(jìn)行存放，并且耐久性較好。使用鹽及其他堿性電解質(zhì)的便攜式鋁空氣電池由于在使用前必須要添加液體電解質(zhì)，這是該類電池的一類重要缺陷。

鋁空氣電池使用鋁作為陽極，空氣作為陰極[8]。鋁空氣電池的化學(xué)反應(yīng)是通過鋁攝取空氣中的氧氣，在蓄電池放電時產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，通過鋁和氧氣相互作用將其轉(zhuǎn)化為氧化鋁。

陽極的化學(xué)反應(yīng)式為：Al=[Al+3+3e] （1）

陰極的化學(xué)反應(yīng)式為：[O2+2H2O+4e]=[4OH-]（2）

整體的化學(xué)反應(yīng)式為：

[4Al+3O2+6H2O]=[4Al（OH）3] （3）

陰極材料及其性能在鋁空氣電池的性能發(fā)揮中有著重要的作用[9]。為保證鋁空氣電池的正常運作，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象不但會降低電池的效率，同時也會在化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生氫氣。如需提升電池效率或降低腐蝕電流密度，則必須從電池中排出反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣等物質(zhì)。

鋁空氣電池不僅可在干燥或未激活的狀態(tài)下提供電能，其能量密度也十分可觀。其能量密度在工作過程中的不斷降低現(xiàn)象是由于在鋁陽極和空氣陰極產(chǎn)生能量的化學(xué)反應(yīng)中[10]，電池中的水不斷消耗所導(dǎo)致的。

2 鋁空氣電池應(yīng)用于車輛動力裝置的優(yōu)勢

相比于電動汽車使用的其他類型蓄電池，鋁空氣電池具備如下優(yōu)勢[11]：

1）比能量高，其理論比能量約為8 100（W·h）/kg，但實際數(shù)值僅為350（W·h）/kg。但即使如此，也可達(dá)到鉛酸電池的7～8倍，鎳氫電池的5～8倍、鋰電池的2～3倍

2）質(zhì)量輕。質(zhì)量約為傳統(tǒng)鉛酸電池的12%。由于有效降低了電池的質(zhì)量，從而可在總質(zhì)量一定的前提下有效提升裝載量或延長整車行駛里程。

3）具備高度兼容的模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，便攜性出色，并且便于操作及管理。

4）啟動性能出色，可在環(huán)境溫度為-40℃的條件下啟動。

5）鋁自身沒有毒性及危險性，對人體并不會造成傷害，也不會污染環(huán)境。

6）工作時靜音性較好，維護(hù)保養(yǎng)要求較低。

7）鋁材料來源豐富，冶煉技術(shù)也較為成熟，并且易于進(jìn)行回收，其成本也較低。

鋁空氣電池自身有著電壓滯后，自放電率較高的弊端。因此需充分利用熱管理系統(tǒng)來減緩工作過程中的過熱現(xiàn)象，以保證電池的正常運作。

3 鋁空氣電池在車用動力領(lǐng)域的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外車用鋁空氣電池的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

早在2014年，美鋁加拿大公司和以色列Phinergy公司就在蒙特利爾展示了鋁空氣電池技術(shù)在汽車動力裝置領(lǐng)域的應(yīng)用，目前已實現(xiàn)續(xù)航里程3 000 km[12]。由特斯拉生產(chǎn)的鋰電池汽車在充電后的實際行駛里程也僅有400～500 km。

配備了鋁空氣電池的電動汽車仍需保留鋰電池動力裝置。在鋰電池能量消耗殆盡后，鋁空氣電池方才會啟動并正式投入使用，使得該類電動汽車?yán)m(xù)航里程較長。如需維護(hù)保養(yǎng)，需定期向鋁空氣電池內(nèi)加注清水。在其能量耗盡無法繼續(xù)使用后，需到具備供應(yīng)能力的廠家更換全新的電池。

鋁空氣電池本體是一塊主要由鋁制成的板材。鋁板與氧氣及水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并釋放出電能，由此可為汽車提供驅(qū)動力來源。當(dāng)鋁暴露在空氣中時，化學(xué)反應(yīng)會自行發(fā)生。盡管化學(xué)反應(yīng)后生成的氧化鋁等物質(zhì)會影響到內(nèi)部的鋁繼續(xù)參與化學(xué)反應(yīng)，但通常車用鋁空氣電池會采用電解質(zhì)消解附著在表面的氧化層，以此維持反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。

3.2 國內(nèi)車用鋁空氣電池的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

近年國內(nèi)也加緊了對鋁空氣電池的研發(fā)及試驗，2016年“西博會”上正式登場了鋁空氣電池。目前國內(nèi)鋁空氣電池主要應(yīng)用于野外通訊基站補給供電，尚未正式投入汽車領(lǐng)域的使用[13]。

四川某家車企目前與川內(nèi)某新能源企業(yè)共同開展鋁空氣電池的研發(fā)工作。通過試驗，可在裝填30 kg鋁燃料后實現(xiàn)上千公里的行駛距離。就成本方面而言，鋁材原價約為12元/kg，考慮到各方面的成本，行駛百公里的總成本大約為45元，低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車同樣行駛里程下的燃油成本，盡管目前鋁空氣電池主要研究領(lǐng)域更偏向于生活電源或通信電源，但就其動力性和安全性而言，鋁空氣電池非常適合用作電動汽車的動力來源。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所目前也在對鋁空氣電池進(jìn)行研發(fā)，普通的鉛酸蓄電池的壽命僅為3～4年，但由寧波材料所研發(fā)的鋁空氣電池儲存時間約15年，壽命明顯更長[14]。

4 車用鋁空氣電池進(jìn)行商業(yè)化面臨的主要問題

使用鋁空氣電池作為車用動力裝置。雖然可有效提升續(xù)航里程，但是也存在重要的技術(shù)性問題。鋁空氣電池并非傳統(tǒng)意義上可多次充放電能的二次電池，僅是一類單向釋放電能的化學(xué)發(fā)電裝置。當(dāng)鋁和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電能時，電池內(nèi)的鋁含量會隨著放電而逐漸減少。不僅如此，此種電池的電流流向僅有一個：從陽極至陰極，因此該類電池?zé)o法進(jìn)行充電。

某車用鋁空氣電池內(nèi)即使儲存了可行駛3 000 km的充足電量，但在行駛完3 000 km后，電池即告壽終正寢[15]，需要更換采用全新的鋁空氣電池，使其市場競爭力受到了相當(dāng)程度地限制，阻礙了其實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。

5 車用鋁空氣電池的未來展望

盡管目前鋁空氣電池由于無法進(jìn)行二次充電等技術(shù)性原因，在汽車動力裝置領(lǐng)域尚未投入正式使用。但其相比鋰電池電動汽車具備動力性及續(xù)航里程方面的顯著優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車又有著電動汽車的固有優(yōu)勢，因此可稱得上是一類博采眾長，極具潛力的車用動力裝置。

6 結(jié)論

對于鋁空氣電池的研發(fā)工作，國內(nèi)外正在緊鑼密鼓地開展當(dāng)中。鋁空氣電池盡管具備比能量高，質(zhì)量輕巧，模塊化程度高，便攜性出色，啟動性能良好，噪聲水平低及鋁材料來源豐富等一系列優(yōu)勢，但由于無法進(jìn)行二次充電等原因，尚有一定的技術(shù)提升空間。目前主要研究方向在電源領(lǐng)域，但是其自身動力性能非常適合于用作車輛動力裝置。假以時日，隨著石油資源的日漸枯竭以及相關(guān)技術(shù)的不斷完善，鋁空氣電池汽車必將在汽車動力裝置領(lǐng)域占據(jù)一席之地。