鋁空氣電池——電動車輛電源革命性的突破

陳天殷

（美國亞派克機電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

目前，以鋰離子電池驅動的電動汽車得以普及的最大障礙是充電時間長和行駛里程的局限性，其續航能力僅在135km （日產Leaf） ～480km （特斯拉S型）。因此，必須在全國城鄉公路邊遍布設置大量的快速充電站，否則無法實現駕駛電動汽車遠途旅行。2014年2月在亞特蘭大世界先進汽車電池能源會議上，美國鋁業加拿大公司 （Alcoa）和以色列飛納齊 （Phinergy）公司展示的100kg重的鋁空氣電池能儲存足可行駛3 000 kg超級續航能力的電量。相比之下，此前，特斯拉Model S的電池質量超過500 kg，而其行駛里程不超過500 km。Aluminium Air Battery中譯為鋁空氣電池，簡稱AAB，是因電化學新技術成熟突破的最具前瞻性的電源核心科技裝置，標志電動車輛電源革命性的進展。

新電池不同于昔日的蓄電池從普通的電網充電的模式來獲取補充新能量，而是在美鋁公司水電站的熔煉車間 “充電”，充完電的電池其實是一塊主要由純金屬鋁制成的厚實面板。鋁板從空氣中吸收氧氣，用戶又給車輛加水，化學反應使鋁變成氧化鋁，從而使化學能轉換為電能，為車輛持續提供能量和動力。暴露在空氣中的鋁會發生氧化反應生成氧化鋁；與鐵生銹層層深入不同，鋁表面形成的緊密氧化鋁膜層會阻止內部深層的鋁繼續發生氧化反應。新電池的關鍵技術包含了電解質，可不斷溶解鋁表面的氧化層，使反應得以持續進行。

美國鋁業加拿大公司介紹，目前使用這種電池電源的電動車輛仍需保留鋰離子電池，鋁空氣電池是在鋰電池電量耗盡后才啟動，因此可以長時間使用，期間只需要每月加注清水。通常使用一年左右達到使用極限后，到服務站更換充滿電能的鋁空氣電池即可。新能源車輛一個重要的指標是要輕量化以達到日常實際使用的目的。鋁空氣電池新能源技術橫空出世的新聞一定程度也增加了市場對金屬鋁新型應用的預期，使世界鋁業及其相關的股票在世界各大股票市場2014年6月中旬飆漲。

圖1是Alcoa and Phinergy裝置AAB的電動車輛（EV）。裝有AAB超級續航能力的電池技術使它連續馳騁19h跑完多倫多到哈里法克斯1800km的路程，而中途無需充電——這相當于長沙到秦皇島的里程！

1 AAB設計構想

社會的科技發展進步常常須仰賴某一項或數項關鍵技術的突破。其實，鋁空氣電池早在20世紀60年代就有文獻報道問世。作為非充電電池，它具有非常高的能量密度。如同電視機，其原理早在20世紀30年代已經提出和被學者確認，但電視機商業化直至40年以后的70年代，而普及全球更是80年代的事了。

但往昔文獻報道的鋁空氣電池，陰極是鋁合金，在電池放電時不斷地消耗；陽極是多孔性氧電極跟傳統的H2／O2燃料電池的氧電極相同，電池放電時，從外界進入電極的氧氣 （空氣）在電解質、活性劑和催化劑的三相界面發生電化學反應生成OH-。電解質液可分為兩種，一種是堿性溶液，另一種是中性溶液 （NaCl或NH4Cl或水溶液或海水）。但兩種條件都存在如下腐蝕反應，此反應消耗鋁，降低其利用率： 2Al+6H2O→2Al（OH）2+3H2。

而如今美國鋁業加拿大公司 （Alcoa）和以色列Phinergy公司所研發的鋁空氣電池由含催化劑的空氣陽極、電解質和金屬鋁陽極組成。其理論比能量為8.1kWh／kg， 僅次于鋰空氣電池的13.0kWh／kg。當然，鋁空氣電池在放電過程中陽極腐蝕會產生氫，不僅導致陽極材料過度消耗，而且還會增加電池內部的電學損耗，從而嚴重阻礙鋁空氣電池的商業化進程。開發方透露的解決方案是在高純度金屬鋁中摻雜微量的特定合金元素以提高金屬鋁陽極耐腐蝕性，并在電解液中添加腐蝕抑制劑。圖2展示了清晰的鋁空氣電池的設計構想。

鋁是自然界存在的最豐富的金屬資源，我國各地也有極充沛的鋁礬土礦。汽車行業幾十年來一直投入巨大的人力財力尋求可以替代傳統汽油的全新的零排放無污染能源，鋁空氣電池可保證汽車具有超遠程的續航能力，成為無污染和零排放、便于維護和安全使用的新能源，展現了無比美好的發展前景。

2 AAB系統組成、原理、特點與簡史

美國、以色列這兩家公司所研發的鋁空氣電池由含催化劑的空氣陰極、電解質和金屬鋁陽極組成。其簡化電化學反應的系統工作原理如圖3所示。

為保證最佳的電化學反應效率，在單體的鋁空氣電池中金屬鋁Al陽極有一對輔助的空氣電極。作為鋁空氣電池陽極的鋁板，以及水只有少量的消耗。

2.1 AAB系統工作原理

圖4 為AAB空氣陰極讓氧氣進入的工作示意圖。陽極側的化學反應：Al+3OH-→Al （OH）3+3e--2.31 V。外電路，電子流經負載到達陰極。陰極側的化學反應：O2+2H2O+4e-→4OH-+0.40 V。內電路，氫氧根離子經由電解液KOH到達鋁陽極。整體的化學反應： 4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3+2.71V。

該技術的關鍵是銀基堿性催化劑阻擋了CO2進入電池，而允許氧分子O2能在電解液中與水分子H2O一起反應，產生 （OH）離子，從而內電路外電路聯通，形成電位差，形成源源不斷供給電流的電源。

全新的鋁空氣電池開發商開發出一種金屬鋁陽極專有的生產工藝，該工藝可以提高金屬鋁的能量利用，并降低不必要的化學反應能量消耗。同時開發出一套先進的電池管理系統，使電化學反應穩定高效進行，提高電池的能量利用。空氣陰極上配備的專有銀基催化劑采用了創新的獨特結構，能使氧氣順利通過空氣陰極，在電解質里形成氫氧根離子到達鋁陽極。而二氧化碳被阻隔在空氣陰極之外，見圖4，從而有效防止空氣陰極的碳化問題，使工作壽命可達到數千小時。金屬鋁板反應生成氫氧化鋁，而氫氧化鋁可通過鋁廠加工回收利用，實現資源可持續的循環再生。

在2014年6月加拿大蒙特利爾國際鋁業大會上，展示裝于電動車輛的鋁空氣電池共包括50塊金屬鋁板，其中每一塊鋁板所產生的能量皆可單獨驅動車輛行駛32 km（20英里）以上，因此整體的飛納齊鋁空氣電池的續航里程可達1610km（相當1 000英里）。參展商集成裝置的該電池產品的電動車輛實際在現場巡航行駛了1800km，持續19h。

2.2 AAB的性能特點

1）比能量高。參與電極反應的單位質量的電極材料放出的電能大小稱為該電池的比能量，單位比能量用Wh／kg來表示。鋁空氣電池的理論比能量可達8100Wh／kg，雖然低于鋰電池，但新工藝新材料全新的電池管理系統，作為非充電電池徹底解決了以前金屬空氣電池充電時間長、續航時間短的難題。

2）質量輕。我國以往開發和研制的牽引用動力型鉛酸蓄電池的總能量為13.5 kWh，總質量為375kg。而同樣的鋁空氣電池總質量僅45 kg，是鉛酸電池的12%。由于電池質量大幅度減輕，降低了車輛整體質量，提高車輛裝載能力，延長了續航里程。

3）無毒害危險。鋁對人體不會造成傷害，并可循環回收利用，不污染環境。

4）安全運行，穩定性、經濟性好。先進的智能電子電化學技術解決了安全性、穩定性。鋁的原材料資源豐富，已具有大規模冶煉電解鋁廠，生產成本相對較低。鋁的再生回收方便，回收再生的成本較低。更換鋁板電極，解決空氣電池充電慢的問題。

鋁空氣電池有較高的比能量，但比功率較低，充電放電速度相對緩慢，電壓滯后，自放電率較大，需采用熱管理系統來防止鋁空氣電池工作時的過熱。

由電極、電解液、催化劑等組成的實用商品化的電源，需實現電化學智能化系統的過程管理，必須做到：①輸出電流電壓平穩，確保金屬電極表面不沉積氧化物，能與電解液充分接觸，使金屬電極表面一直趨于最佳電化學狀態；②實現放電的自動控制，以充分提高電池使用壽命；③排出的廢料在外部回收，電池的活性物質可再生、循環使用；④現行的結構模式是用更換鋁板陽極來實現 “充電”，必須有精巧方便的機構確保其快捷安全地實施；⑤強堿性電解液系氫氧化物，需確保安全管控。

2.3 金屬空氣電池

全球能源日趨匱乏，科學家早在20世紀中葉就探索燃料電池作為高效潔凈的新能源領域的開發熱點，金屬空氣電池20世紀60年代就由美國的Zaromb證明其技術可行性。從而，以鋅或鋁等金屬作為陰極活性物質，以空氣中的氧氣作為陽極活性物質，開發各型金屬空氣電池。其原理是氧氣可以源源不斷通過氣體電極擴散到達電化學反應界面，與金屬鋁 （或鋅等）反應而釋放出電能，充分發揮燃料電池的優點。金屬空氣電池原材料在自然界存量豐富，性價比高，完全無污染，是面向21世紀的綠色能源。

金屬空氣電池早期僅致力于電視廣播、航海航標燈、礦井照明等電源的應用研究。20世紀70年代末，美國能源部曾投資數百萬美元支持勞倫斯-利佛莫國家實驗室 （LLNL）研制替代內燃機的金屬空氣電池。20世紀80年代初，LLNL、Elecrodynamics和陶 （Dow）化學公司等聯合組成Voltek公司。第3年終于開發出實用化的動力型金屬／空氣燃料電池系統Voltek A-2，是世界上第1個用來驅動車輛的鋁空氣燃料電池系統。20世紀80年代，挪威國防研究所、美國水下武器研究中心和加拿大的Aluminum Power公司著手探索將鋁空氣電池用于UUV（無人水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP（混合型柴電潛艇）的可能性。加拿大Aluminum Power公司采用合金化的鋁陽極和有效的空氣陰極，將其發展成為安全可靠的電池體系，能量密度在240～400Wh ／kg， 功率密度達22.6W／kg。

國內研究鋁空氣電池的單位有哈爾濱工業大學、武漢大學、天津大學和北京有色金屬研究院等，各取得不同的進展和成果。關注超高的能量比，引導許多金屬空氣電池的研究團隊把著力的重點瞄準鋰空氣電池。但真正的突破還是今年Alcoa和Phinergy公司的產品——以高純度鋁Al（含鋁99.99%）為陽極，空氣為陰極，KOH或NaOH的水溶液為電解質。

許多金屬可用來研制金屬空氣能電池。圖5為各種金屬空氣電池的比能量圖。表1列出各種金屬空氣電池的開路電壓和比能量值。

表1 各種金屬空氣電池的開路電壓和比能量值

圖6的金屬空氣電池原理結構圖有助于我們較直觀理解當前金屬空氣電池的一般原理結構。圖6中的 “X基氧化物”表達某一種催化劑，如鋰空氣電池采用的催化劑是錳基氧化物。

圖7為現行的鋰電池原理圖，該圖形象地介紹了一款空氣極板具有眾多微孔或稱海綿狀的結構，表達了氧分子從充滿微孔 “泡沫狀”的鎳板進入電池中的情形。

電池中氧氣是無法儲存的，鋰空氣電池不包含氧的比能量理論值為11140Wh／kg （合40.1MJ／kg）， 見表1，比較汽油的比能量值44MJ／kg，已是相當接近了。

2.4 鋁空氣電池的應用

除應用在電動車輛行業中巨大的應用前景外，金屬空氣電池還能應用在固定能源，如醫院、數據中心、商貿應急電源、移動房屋、無人駕駛車輛及諸多國防用途。鋁空氣電池具有可持續、高能量密度等特點，前景十分廣泛。位于賓夕法尼亞州匹茲堡的美國鋁業公司技術中心是世界最大的輕金屬研究機構。掌握該項核心技術的Alcoa和Phinergy目前正躊躇滿志高歌猛進，這一領域也是需要我們急起直追，盡早掌握擁有鋁空氣電池自主知識產權的專利和核心機密。

3 其他替代能源研發的進展

生態、環境壓力推動著會有一種或多種綠色能源技術改變、顛覆傳統的燃油汽車，承載起改善人類環境的使命。電化學、電力電子、新材料和汽車電子等技術不斷創新和應用，極大推動電動車輛電源的飛速發展，多種技術方案相互借鑒相互促進，在相互趕超中不斷取得突破性的進展。除在各項指標上皆領先的金屬空氣能電池外，目前世界各地在開發的，有代表性的，還有下述6種。

1）石墨烯電池與超級電容器結合。以英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所為代表，研究人員以石墨烯作為添加劑，探索減小電池尺寸與質量并擴展電池壽命。

2）博世公司企圖從2個步驟改進鋰離子電池，大幅度提高電池單元能量密度，由當前130 Wh，2016年達到200Wh，2020年到達300Wh，從而使電動汽車行程加倍。

3）美國麻省理工學院科學家使用半固態液流電池系統。該電池電極采用微粒子懸浮在液體電解液中，該混合液稱為Cambridge Crude。將兩種像泥漿一樣的流體混合物 （一種帶正電荷，一種帶負電荷）通過該系統注入，使鋰離子在隔膜中能自由地穿梭，產生電流。

4）我國復旦大學研制新型的水鋰離子電池，充10 s，充60度電，可以行駛400～800 km。其研究成果于2014年初在權威刊物 《自然》的子刊 《科學報道》刊發。

5）ECOmove公司研制用生物甲醇提高其電池壽命。新型電動汽車底盤有6個電池模塊。這種新型電動汽車最高時速可達120km／h（75英里／小時）。續航里程可達到800km （500英里），而質量僅425kg，相比汽油柴油產生的二氧化碳大幅減少。

6）美國阿貢國家實驗室研發基于納米材料的液態動力電池，電池內部沒有可燃性材料，據稱，還便于太陽能和風能充電。目標是一次充電續航里程達到800～1610km （500～1000英里）。

4 氫氧化鋁回收與環境影響評價

將氫氧化鋁還原成鋁單質金屬，其過程可用下述2個化學反應式表達。

1） 加熱分解： 2Al（OH）3→Al2O3+3H2O。

2） 電解： 2Al2O3→4Al+3O2。

氫氧化鋁還原為金屬鋁形成傳統工業，已有近百年歷史。作為反應過程本身并沒有產生易燃易爆物質，也看不出如何污染環境。2011年筆者曾隨浙江人大代表去到位于膠濟鐵路線上的山東省淄博市調研過山東電解鋁廠，該廠年產300萬噸。詳細了解過它的環境影響：①鋁廠需要開采較大量的地下水；②電解鋁需要巨量的電力，如果它們使用的是煤電，那燃煤發電過程必定會帶來大氣污染；③電解鋁車間里的電解槽是大型的預焙槽，每個電解槽有5～6根立柱母線，每根立柱母線電流高達300～400kA，必在周圍形成強大的電磁場，造成較強的電磁輻射；④電解槽的陽極碳棒制備需要有一個碳素廠，自然也會有次生的環境影響。

5 結語

認為鋁空氣電池是電動車輛電源革命性的突破，一在于它能實現超長的巡航里程；二是顛覆傳統電池一次一次充電放電的窠臼，改為更換極板來更新電池。任何一種新技術新產品的問世，成功與否都需接受市場檢驗。我們期待美國鋁業和飛納齊公司的新型鋁空氣電池能承擔起替代燃油汽車解決電動車輛電源改善和緩解環境問題的使命！筆者的觀點也期待國內同道們指正。

［1］ Tom Denton.Automobile Electronic&Electronic Systems［M］.London： Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.，2009.

［2］ Ronald K.Jargem.Automotive Electronic Handbook （3rd）［M］.New York： MMcGrow-Hill Corpanics Inc， 2008.

［3］ 美國鋁業公司 （Alcoa） 公司網站［OL］.http：／／www.alcoa.com.

［4］ 以色列 “飛納齊” （Phinergy） 公司網站［OL］.http： ／／www.phinergy.com.

［5］ Qistein Hasvold， Kjell Havard Johansen， Karstein Vestgaard， et al.The alkaline aluminium／hydrogen peroxide semin-fuel cell for the Hugin 3000 autonomous underwater vehicle［J］.IEEE， 2002.

［6］陳天殷.汽車電子技術的現狀與展望［J］.汽車電器，2012 （12）： 1-3， 7.

［7］ KennethSleight?edited ， Lamar Stonecypher·updated ：Aluminum Air Battery Technology-Concepts and Research［OL］.http：／／www.brighthub.com 5／13／2011.

［8］陳天殷.發展電動汽車應有利于推動環保和清潔能源，汽車電器，2012（10）：5-7.