摘要：2014年春，一种全新的铝空气电池横空出世，对解决电动车辆电源的续航能力具有划时代的意义。本文介绍铝空气电池的研究进程、特点、原理、设计模式、可以达到的性能指标，阐述了金属空气电池发展现状前景和应用领域。

    目前，以锂离子电池驱动的电动汽车得以普及的最大障碍是充电时间长和行驶里程的局限性，其续航能力仅在135 km（日产Leaf）～480 km（特斯拉S型）。因此，必须在全国城乡公路边遍布设置大量的快速充电站，否则无法实现驾驶电动汽车远途旅行。2014年2月在亚特兰大世界先进汽车电池能源会议上，美国铝业加拿大公司（Alcoa）和以色列飞纳齐（Phinergy）公司展示的100 kg重的铝空气电池能储存足可行驶3 000 kg超级续航能力的电量。相比之下，此前，特斯拉Model S的电池质量超过500 kg，而其行驶里程不超过500 km。AluminiumAir Battery中译为铝空气电池，简称AAB，是因电化学新技术成熟突破的最具前瞻性的电源核心科技装置，标志电动车辆电源革命性的进展。
    新电池不同于昔日的蓄电池从普通的电网充电的模式来获取补充新能量，而是在美铝公司水电站的熔炼车间“充电”，充完电的电池其实是一块主要由纯金属铝制成的厚实面板。铝板从空气中吸收氧气，用户又给车辆加水，化学反应使铝变成氧化铝，从而使化学能转换为电能，为车辆持续提供能量和动力。暴露在空气中的铝会发生氧化反应生成氧化铝；与铁生锈层层深入不同，铝表面形成的紧密氧化铝膜层会阻止内部深层的铝继续发生氧化反应。新电池的关键技术包含了电解质，可不断溶解铝表面的氧化层，使反应得以持续进行。
    美国铝业加拿大公司介绍，目前使用这种电池电源的电动车辆仍需保留锂离子电池，铝空气电池是在锂电池电量耗尽后才启动，因此可以长时间使用，期间只需要每月加注清水。通常使用一年左右达到使用极限后，到服务站更换充满电能的铝空气电池即可。新能源车辆一个重要的指标是要轻量化以达到日常实际使用的目的。铝空气电池新能源技术横空出世的新闻一定程度也增加了市场对金属铝新型应用的预期，使世界铝业及其相关的股票在世界各大股票市场2014年6月中旬飘涨。
    图1是AlcoaAnd Phinergy装置AAB的电动车辆（EV）。装有AAB超级续航能力的电池技术使它连续驰骋19h跑完多伦多到哈里法克斯1800 km的路程，而中途无需充电—这相当于长沙到秦皇岛的里程！

    1 AAB设计构想
    社会的科技发展进步常常须仰赖某一项或数项关键技术的突破。其实，铝空气电池早在20世纪60年代就有文献报道问世。作为非充电电池，它具有非常高的能量密度。如同电视机，其原理早在20世纪30年代已经提出和被学者确认，但电视机商业化直至40年以后的70年代，而普及全球更是80年代的事了。
    但往昔文献报道的铝空气电池，阴极是铝合金，在电池放电时不断地消耗；阳极是多孔性氧电极跟传统的H2/O2燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧气（空气）在电解质、活性剂和催化剂的三相界面发生电化学反应生成OH-。电解质液可分为两种，一种是碱性溶液，另一种是中性溶液（NaCI或NH4Cl或水溶液或海水）。但两种条件都存在如下腐蚀反应，此反应消耗铝，降低其利用率：2AI+6H2O→2AI （OH）2+3 H2。
    而如今美国铝业加拿大公司（Alcoa）和以色列Phinergy公司所研发的铝空气电池由含催化剂的空气阳极、电解质和金属铝阳极组成。其理论比能量为8.1 kWh/kg，仅次于锂空气电池的13.0 kWh/kg。当然，铝空气电池在放电过程中阳极腐蚀会产生氢，不仅导致阳极材料过度消耗，而且还会增加电池内部的电学损耗，从而严重阻碍铝空气电池的商业化进程。开发方透露的解决方案是在高纯度金属铝中掺杂微量的特定合金元素以提高金属铝阳极耐腐蚀性，并在电解液中添加腐蚀抑制剂。图2展示了清晰的铝空气电池的设计构想。

    铝是自然界存在的最丰富的金属资源，我国各地也有极充沛的铝矾土矿。汽车行业几十年来一直投入巨大的人力财力寻求可以替代传统汽油的全新的零排放无污染能源，铝空气电池可保证汽车具有超远程的续航能力，成为无污染和零排放、便于维护和安全使用的新能源，展现了无比美好的发展前景。

    2 AAB系统组成、原理、特点与简史
    美国、以色列这两家公司所研发的铝空气电池由含催化剂的空气阴极、电解质和金属铝阳极组成。其简化电化学反应的系统工作原理如图3所示。

    为保证最佳的电化学反应效率，在单体的铝空气电池中金属铝Al阳极有一对辅助的空气电极。作为铝空气电池阳极的铝板，以及水只有少量的消耗。

    2.1 AAB系统工作原理
    图4为AAB空气阴极让氧气进入的工作示意图。阳极侧的化学反应：Al+30H-→AI（OH）3+3e-－2.31V。外电路，电子流经负载到达阴极。阴极侧的化学反应：O2+2H2O+4e-→4OH -＋0.40V。内电路，氢氧根离子经由电解液KOH到达铝阳极。整体的化学反应：4AI+3O2+6H2O→4A1（OH）3+2.71V。
    该技术的关键是银基碱性催化剂阻挡了C02进入电池，而允许氧分子02能在电解液中与水分子H2O一起反应，产生（OH）离子，从而内电路外电路联通，形成电位差，形成源源不断供给电流的电源。

    全新的铝空气电池开发商开发出一种金属铝阳极专有的生产工艺，该工艺可以提高金属铝的能量利用，并降低不必要的化学反应能量消耗。同时开发出一套先进的电池管理系统，使电化学反应稳定高效进行，提高电池的能量利用。空气阴极上配备的专有银基催化剂采用了创新的独特结构，能使氧气顺利通过空气阴极，在电解质里形成氢氧根离子到达铝阳极。而二氧化碳被阻隔在空气阴极之外，见图4，从而有效防止空气阴极的碳化问题，使工作寿命可达到数千小时。金属铝板反应生成氢氧化铝，而氢氧化铝可通过铝厂加工回收利用，实现资源可持续的循环再生。
    在2014年6月加拿大蒙特利尔国际铝业大会上，展示装于电动车辆的铝空气电池共包括50块金属铝板，其中每一块铝板所产生的能量皆可单独驱动车辆行驶32 km （20英里）以上，因此整体的飞纳齐铝空气电池的续航里程可达1610 km（相当1000英里）。参展商集成装置的该电池产品的电动车辆实际在现场巡航行驶了1800 km，持续19h。

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