鋁空氣電池應用于汽車動力裝置的技術現狀及前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

引言

電動汽車通常泛指采用高壓電池與驅動電機提供驅動動力來源的車輛。目前內燃機的有效熱效率約為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轉換成汽車的驅動力，效率可達80%以上。即使考慮到火力發電場的發電效率、輸電效率、充放電效率等整個能量轉換過程，其總體效率仍可達到約19%。

其次，電能是一類二次能源，因此可使用多種一次能源進行轉化[2]，有效減少了對日漸枯竭的石油資源的依賴[3]。電動車通?？衫靡归g的大量富裕電力進行充電，有利于維持電網負荷的均衡性，減少了能源的浪費，并提升了電力系統的自身效益。

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

相比于內燃機汽車，純電動汽車具備更平穩舒適的駕乘環境，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，但對于內燃機汽車而言，該部分能量僅以熱量的形式進行耗散。電動汽車由于直接采用電力驅動，比采用機械傳動的傳統內燃機汽車更易于操縱，自動化程度更高。

1 鋁空氣電池

鋁是一類優秀的陽極材料，其電化學氧化涉及3個電子，而鋁的相對原子量較?。▋H為26.98），因此鋁陽極的質量比容量可達2.98（A·h）/g，接近于鋰陽極的3.86（A·h）/g，并且遠高于鋅陽極的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8.04（A·h）/cm3，優于鋰陽極的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能直接轉化為電能的化學電源。鋁空氣電池早期主要應用于航空航天及其他軍事領域。目前存在兩類便攜式鋁空氣充電電池，即鹽電解質充電電池及堿性電解質充電電池[6]。

鹽電池可應用于多個領域，電池本體則可進行干燥運輸及折疊，使用時可采用當地現成的水源[7]。堿性電池則被應用于高功率工作環境，在實際應用前加入堿性溶液進行激活。該兩類電池可在干燥狀態下進行存放，并且耐久性較好。使用鹽及其他堿性電解質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，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]。鋁空氣電池的化學反應是通過鋁攝取空氣中的氧氣，在蓄電池放電時產生電化學反應，通過鋁和氧氣相互作用將其轉化為氧化鋁。

陽極的化學反應式為：Al=[Al+3+3e] （1）

陰極的化學反應式為：[O2+2H2O+4e]=[4OH-]（2）

整體的化學反應式為：

[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，化學反應產生的腐蝕現象不但會降低電池的效率，同時也會在化學反應過程中產生氫氣。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過程中產生的氫氣等物質。

鋁空氣電池不僅可在干燥或未激活的狀態下提供電能，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象是由于在鋁陽極和空氣陰極產生能量的化學反應中[10]，電池中的水不斷消耗所導致的。

2 鋁空氣電池應用于車輛動力裝置的優勢

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勢[11]：

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

2）質量輕。質量約為傳統鉛酸電池的12%。由于有效降低了電池的質量，從而可在總質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計結構，便攜性出色，并且便于操作及管理。

4）啟動性能出色，可在環境溫度為-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，也不會污染環境。

6）工作時靜音性較好，維護保養要求較低。

7）鋁材料來源豐富，冶煉技術也較為成熟，并且易于進行回收，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來減緩工作過程中的過熱現象，以保證電池的正常運作。

3 鋁空氣電池在車用動力領域的研發及應用現狀

3.1 國外車用鋁空氣電池的研發及應用現狀

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在汽車動力裝置領域的應用，目前已實現續航里程3 000 km[12]。由特斯拉生產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，使得該類電動汽車續航里程較長。如需維護保養，需定期向鋁空氣電池內加注清水。在其能量耗盡無法繼續使用后，需到具備供應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。鋁板與氧氣及水發生化學反應，并釋放出電能，由此可為汽車提供驅動力來源。當鋁暴露在空氣中時，化學反應會自行發生。盡管化學反應后生成的氧化鋁等物質會影響到內部的鋁繼續參與化學反應，但通常車用鋁空氣電池會采用電解質消解附著在表面的氧化層，以此維持反應的繼續進行。

3.2 國內車用鋁空氣電池的研發及應用現狀

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

四川某家車企目前與川內某新能源企業共同開展鋁空氣電池的研發工作。通過試驗，可在裝填30 kg鋁燃料后實現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，低于傳統內燃機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。中國科學院寧波材料技術與工程研究所目前也在對鋁空氣電池進行研發，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 車用鋁空氣電池進行商業化面臨的主要問題

使用鋁空氣電池作為車用動力裝置。雖然可有效提升續航里程，但是也存在重要的技術性問題。鋁空氣電池并非傳統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發電裝置。當鋁和氧氣發生化學反應并產生電能時，電池內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，因此該類電池無法進行充電。

某車用鋁空氣電池內即使儲存了可行駛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程度地限制，阻礙了其實現大規模商業化。

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行二次充電等技術性原因，在汽車動力裝置領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航里程方面的顯著優勢，相比于傳統的內燃機汽車又有著電動汽車的固有優勢，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 結論

對于鋁空氣電池的研發工作，國內外正在緊鑼密鼓地開展當中。鋁空氣電池盡管具備比能量高，質量輕巧，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勢，但由于無法進行二次充電等原因，尚有一定的技術提升空間。目前主要研究方向在電源領域，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技術的不斷完善，鋁空氣電池汽車必將在汽車動力裝置領域占據一席之地。