铝—空气电池的应用及设计
金属空气电池的研究及应用
金属空气电池的研究及应用作为能源领域的重要研究方向之一，金属空气电池具有高能量密度、长寿命、可重复充电等优点，被认为有望成为未来电动汽车和储能系统的重要组成部分。
在这篇文章中，我们将探讨金属空气电池相关的研究进展和应用前景。
1. 金属空气电池的基本原理金属空气电池是一种基于化学反应产生电能的电池。
其基本原理是利用储存在金属中的化学能与空气中的氧气发生化学反应，释放出电子和离子，产生电能。
具体来说，金属空气电池由电极、电解质和空气组成。
其中，金属电极通常采用锌、铁、铝等金属，而空气则作为氧化剂参与反应。
反应生成的离子和电子穿过外电路形成电流，完成电能的转换。
2. 金属空气电池的发展历程金属空气电池起源于20世纪初，最初被用于军事领域的雷达和无人机等设备中。
随着技术的不断发展，金属空气电池逐渐应用于民用领域。
目前，金属空气电池的主要研究方向包括提高电池的能量密度、延长电池的寿命、实现可重复充电等。
尤其是近年来，固态金属空气电池等新型金属空气电池的研究得到了较大的关注，并显示出广阔的应用前景。
3. 金属空气电池的应用前景金属空气电池具有诸多优点，如高能量密度、长寿命、环保等，因此被广泛应用于电动汽车、无人机、太阳能储能系统等领域。
其中，最具潜力的应用领域是电动汽车。
目前，电动汽车广泛使用的锂离子电池存在能量密度低、成本高、充电时间长等问题，而金属空气电池可以克服这些问题，有望成为电动汽车的新一代动力源。
4. 金属空气电池面临的挑战和未来发展趋势虽然金属空气电池具有广阔的应用前景，但其发展仍面临着一些挑战。
例如，由于金属空气电池的电解质一般使用碱性电解质，电极易受碱性腐蚀，影响电池寿命。
此外，金属空气电池的反应产物也会造成电极泄露、环境污染等问题。
为克服这些问题，需要从材料、结构、制备等多个方面进行研究。
未来，金属空气电池的发展趋势是实现高能量密度、长寿命、可重复充电、低成本等多个方面的优化。
为此，需要不断研究先进的电极材料、新型电解质、高效氧还原催化剂等。
铝空气电池研究心得
铝空气电池研究现状及发展趋势详解铝-空气燃料动力电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。
作为一种特殊的燃料动力电池，铝-空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。
一、金属空气电池概述锂离子电池拥有较高的比能量，是目前研究较成熟且已经大规模商用的二次电池，但是近几年来，面对移动电子设备和电动汽车等领域的巨大发展，锂离子电池已难于满足其大容量的需求，特别是对能源依赖性很强的动力锂电池体系。
因此，拥有比锂离子电池比容量大几倍的金属空气电池应运而生，比如锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池等。
由于这类电池的正极活性物质重要来源于空气中的氧气，理论上的正极活性物质的量是无限的，所以电池理论容量重要取决于负极金属的量，这类电池拥有更大的比容量。
其中，铝-空气燃料动力电池的理论比能量可达8100Wh/kg，具有成本低、比能量密度和比功率密度高等优点。
作为一种特殊的燃料动力电池，铝-空气电池在军事、民用、以及水底动力系统、电信系统后备动力源和便携式电源等应用方面具有巨大的商业潜力。
二、铝空气电池结构和原理从现有的研究成果和电池特性来分析，铝空气电池具有如下特点：（1）比能量高。
铝空气电池是一种新型高比能电池，理论比能量可达到8100Wh/kg目前研发的产品已经能达到300-400Wh/kg，远高于当今各类电池的比能量。
（2）比功率中等。
由于空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，其交换电流密度很小，电池放电时极化很大，导致电池的比功率只能达到50-200W/kg。
（3）使用寿命长。
铝电极可以不断更换，因此铝空气电池寿命的长短取决于空气电极的工作寿命。
（4）无毒、无有害气体出现。
电池电化学反应消耗铝、氧气和水，生成Al2O3·nH2O，可用于干燥吸附剂和催化剂载体、研磨抛光磨料、陶瓷及污水处理的优良沉淀剂等。
铝-空气电池空气电极的研究
铝-空气电池空气电极的研究本文主要介绍了铝-空气电池及其发展前景和研究现状。
利用静电纺丝法制备钴碳复合纤维材料用于铝-空气电池的空气阴极，不同掺杂浓度的过渡金属钴氧化物作为氧还原催化剂催化空气电极反应。
对制备的碳纤维空气电极进行了SEM、TEM和激光拉曼光谱的测量和分析，详细的电化学实验表明，6.6%的硝酸钴掺杂质量分数的样品表现出最佳的性能。
我们探索适宜的催化剂浓度来提高碳纤维材料的氧还原催化能力的自组合的空气电极的制备。
电池放电试验是在二电极系统采用复合碳纤维空气阴极和一个铝板阳极，电解液为2 mol/L NaCl水溶液的封闭系统。
关键词：铝-空气电池，空气电极，碳纤维，硝酸钴第一章文献综述1.1 铝-空气电池铝是地壳中储量最多的金属，全球的工业储量超250亿吨[1]，其金属单质具有较活泼的还原性，该金属能量密度仅次于金属锂，其理论电化学当量2.98Ah/g，体积当量8.04 Ah/cm3[2]。
目前工业上已能通过电解方式大规模廉价获得金属铝，金属铝具有易保存、易运输、易加工、反应安静且安全、对环境友好无污染的特性，所以金属铝在能量储存和转换方面的应用一直以来就备受人们的重视。
1850年Hulot尝试性采用铝作电池阴极，1960年左右Zaromb等人确定了铝-空气电池的可行性；EIecrodynamics 、Dow及LLNL等公司联合组成的V oltek公司开发出第一个用于驱动汽车的实际应用动力型V oltek A-2铝-空气电池[2]。
据悉，在Yang Shaohua等人研究的铝-空气电池中，回收反应产物的铝阳极的成本价格约为6元人民币每千克，在铝-空气电动汽车中总效率能够达到15%（为当时实验阶段的数据，后期可达到20%），比普通电动汽车13%的效率要高。
其设计的电池能量密度为1300Wh/kg，并且有望达到2000Wh/kg。
整个电池系统估价为30美元每千瓦，并在实际规模生产中可能降低到29美元每千瓦。
铝空气电池在实际应用之中发现的问题 (1)
铝空气电池在实际应用之中发现的问题☉◇铝空气电池参考资料◇☉铝空气电池作为动力电池主要存在问题铝电池商业化应用的明显技术缺陷是铝在空气或水溶液中易钝化且在强碱性溶液中腐蚀速率较大，严重降低了铝阳极效率。
因此电极的活化和抗腐蚀性能的提高是铝阳极研究过程中需要解决的主要问题。
在大电流密度工作条件下，由于内阻高，不能满足动力电源的电性能要求，阻碍了铝阳极材料的应用。
在高功率输出时发热严重，必须配备热量输出系统，因而增加了系统的复杂性。
大功率铝空气电池组必须有良好的通风，保持通透的一致性，如增设供氧系统，效果会改善，这又会增加系统的复杂性。
在颠簸的路面运行时，能够提供的电能也有一定幅度波动。
如何确保电池不漏液，也是一个严重问题。
上述问题和复杂性是长期以来阻碍该技术大规模推广应用的瓶颈。
又比如，该电池实际应用中的体积比能量一般只有100-150Wl/L，与铅酸蓄电池相当。
系统能否长期稳定运行依然不确定。
但是铝空气电池在中国用于海上航标灯却非常适合！！1991年，中国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。
它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。
海洋电池彻底改变了以往海上航标灯两种供电方式：一是一次性电池，如锌锰电池、锌银电池、锌空（气）电池等。
这些电池体积大，电能低，价格高。
二是先充电后给电的二次性电源，如铅蓄电池，镍镉电池等。
这种电池要定期充电，工作量大，费用高。
海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt、Fe）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。
我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。
这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。
海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。
用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比原来的干电池高20～50倍。
金属空气电池的研究与应用
金属空气电池的研究与应用金属空气电池是一种新型的电池，其原理是将金属与空气中的氧气反应产生电能。
与传统电池相比，金属空气电池具有容量大、储存时间长、价格便宜等优点，被广泛应用于电力、交通、通讯等领域。
一、金属空气电池的工作原理金属空气电池的工作原理是利用金属与空气中的氧气反应产生电能。
金属空气电池一般采用锌、铝、镁等金属作为阳极，正极则由氧气充当。
当电池工作时，金属与氧化物反应，产生电子和离子，这些电子和离子在电解质中传递，使均衡得以维持。
二、金属空气电池的优点1. 容量大：金属空气电池的容量大，一般为普通锂电池容量的几倍甚至更多。
2. 储存时间长：金属空气电池具有较长的储存时间，在未使用的情况下，可以长期保存电量。
3. 价格便宜：与传统电池相比，金属空气电池的价格较低，成本也更为经济。
4. 环保节能：金属空气电池的采用过程中不会产生有害物质，对环境的影响较小，同时还可以减少使用化石能源，达到节能减排的目的。
三、金属空气电池的应用1. 电力金属空气电池在电力领域的应用非常广泛。
其容量大、寿命长的特点使得其在电力储备方面具有优越性。
此外，随着能源危机的加剧，金属空气电池的绿色环保与经济性也得到了越来越广泛的关注。
2. 交通金属空气电池也广泛应用于交通领域。
例如，美国空军已经开始使用金属空气电池来为无人机提供能源。
此外，汽车、轮船、飞机等交通工具也可以通过金属空气电池实现绿色环保的能源转化。
3. 通讯金属空气电池也应用于通讯领域，例如手机、电脑等各种电子设备。
由于其容量大、储存时间长，金属空气电池可以为这些设备提供更为可靠的电源。
四、金属空气电池的未来随着科技的不断发展，金属空气电池的应用将会越来越广泛，未来甚至可能替代锂电池成为普及的电池类型之一。
在保证环保的同时，金属空气电池也将会成为未来能源领域的一个重要研究方向。
总之，金属空气电池具有容量大、储存时间长、价格便宜的优势，未来的应用前景广阔。
随着科技的不断进步，金属空气电池的研究与应用将会不断推进。
铝—空气电池研究现状及应用前景
收稿日期：２０１８－０６－０９ 基金项目：国家自然科学基金项目（２１７０６１９５）；贵州省科技基础研究计划项目（黔科合基础 ２０１６－１１４９）；贵州省教育厅普通 高等学校科技拔尖人才项目（黔教合 ＫＹ字 ２０１６－１０５） 作者简介：郭 雷（１９８７—），男，河南商丘人，博士，教授，主要应用电化学方面的研究。
（２）
正极空气电极通常由气体扩散层、活性催化层和集流体三
部分组成，其反应通常为： Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－ ＝４ＯＨ－ 碱性介质中放电总反应为： ４Ａｌ＋３Ｏ２＋４ＯＨ－ ＝４ＡｌＯ２－ ＋２Ｈ２Ｏ 中性介质中的放电总反应为：
（３） （４）
４Ａｌ＋３Ｏ２ ＋６Ｈ２Ｏ＝４Ａｌ（ＯＨ）３
（５）
图 １给出了中性盐介质中铝空气电池的工作机理示意图。
图 １ 中性盐介质中铝空气电池工作原理示意图
２ 铝—空气电池的特性
铝空气电池的负极活性材料是含量丰富的金属铝，正极活 性物质是空气中 的 氧 气，正 极 容 量 可 视 无 限 大，而 且 铝 空 气 电 池的废弃产物可 进 行 回 收 循 环 利 用，这 大 大 降 低 了 电 池 成 本。 铝空气电池的负电极是铝金属材料，在使用的过程中可以不断 地更换，因此铝空 气 电 池 寿 命 的 比 一 般 的 电 池 寿 命 要 长，一 般 能够达到 ３～４年的时间。铝空气电池具有质量轻的特点，同 样能量的铝空气电池总质量仅为铅酸蓄电池质量的 １２％，可以 很好的运动到汽车行业中，能很好的减少车身重量［３］。
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍ －ａｉｒＢａｔｔｅｒｉｅｓ
ＧｕｏＬｅｉ，ＷｕＭｉｎ，ＨｅＪｉａｎｃｈｅｎｇ，ＷａｎｇＭａｏｌａｎ，ＬｉＣｈａｎｇｚｈｅｎ，ＸｕＣｈｅｎ
新能源铝空气电池原理及优点
新能源铝空气电池(diànchí)原理及优点化学词典为您介绍铝空气电池原理、铝空气电池优点，随着石墨烯电池的大热，一些含有高科技成分的新能源用品广受大家关注，而铝空气电池就是其中一种。
铝空气电池，顾名思义就是以铝与空气作为电池材料的一种新型电池。
它是一种无污染、长效、稳定(wěndìng)可靠的电源，是一款对环境十分友好的电池。
铝空气电池(diànchí)原理铝空气电池的化学反应与锌空气电池类似，铝空气电池以高纯度铝Al(含铝99.99%)为负极、氧为正极，以氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。
铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用(zuòyòng)转化为氧化铝。
铝空气电池的进展十分迅速，它在EV上的应用已取得良好效果，是一种很有发展前途的空气电池。
铝空气电池(diànchí)优点1、比能量大铝空气电池的实际比能量只达到350～400Wh/kg，这数值还不及它理论值的5%。
但就是这5%不到的比能量也是铅酸电池的7～8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。
若采用铝空气电池的电动车，续驶里程明显地提高。
国外有关资料介绍，美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。
2、质量轻我国开发和研制的牵引用动力型铅酸蓄电池的总能量为13.5kWh，总质量为375kg。
而同样能量的铝空气电池总质量仅45kg，为铅酸蓄电池质量的12%。
由于电池质量大大减轻，车辆的整备质量也降低，可以提高车辆的装载能量或延长续驶里程。
3、铝没有毒性和危险性铝对人体不会造成伤害，可以回收循环使用，不污染环境。
铝的原材料丰富，已具有大规模的铝冶炼厂，生产成本较低。
铝回收再生方便，回收再生成本也较低。
而且可以采用更换铝电极的方法，来解决铝空气电池充电较慢的问题。
基于CAN总线的铝-空电池管理系统设计
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电池工业
叁』垡丝坠塑——————一：：．，
丝望堕：墅丝兰业生三旦
的净能量转换效率达８３％，按电池的总重量算，能量密度达到３５０Ｗｈ／ｋｇ，其最新研究成果已将电池寿命延长至原先的１０倍，使电池机械充电次数由２００次提高到３０００次。
美国电技术研究公司１９８８年在小汽车上成功应用了铝一空电池，该公司制备的单体电池电压为１．１５Ｖ，峰值功率为４４０Ｗ，１０个单体电池形成４．４ｋＷ的电池组，成功驱动小车。
铝空电池的发展将会大大促进电动车产业的发展。
２．４水下电源
利用海水中溶解氧的铝空气电池具有一个明显的优点，就是除负极材料铝以外的所有反应物全部来源于海水。
这种电池的正极位于负极的周围，并敞开于海水中，因此其反应产物能够直接排人海洋。
由于海水中没有足够的氧，所以电极面积也相应较大。
此外，由于海水的电导率较低，电池组的设计通常不采用串连方式，而采用ＤＣ—ＤＣ转换器获得较高的电压。
为了增大反应面积，有的电池做成了电缆形状，如图４所示，以铝芯作阳极，外层为阴极，使用时放置在海水中。
据报道，一种直径３ｃｍ的电缆电池可长达数百米，每米重量１蝇，质量比能量６４０Ｗｈ／ｋｇ，可在水下使用半年之久１６１。
１一铝阳极；２一隔离物；３一氧阴极；４一多孔透水的外保护层
图４电缆状铝一空气电池
Ｆｉｇ．４ＣａｂｌｅｔｙｐｅＡｌ－ａｉｒｂａｔｔｅｒｙ
铝一空气电池已成为无人水下航行器（ｕｕｖ）和自主水下航行器（ＡＵＶ）的理想电源。
挪威的ＨＵＧＩＮ系列ＵＵＶ和ＡＵＶ采用Ａ１／ＨＰ（双氧水）电池，其中ＨＵＧＩＮ３０００和ＨＵＧＩＮ４５００携带能量分别增加到４５ｋＷｈ和６０ｋＷｈ，续航能力达到６０ｈ。
而ＨＵＧＩＮ１１同和ＨＵＧＩＮ３０００采取了相似的电源设计，区别是后者提供的能量更大，以下着重就ＨＵＧＩＮ３０００的电源设计进行叙述。
ＨＵＧＩＮ３０００的动力源采用Ａ１／ＨＰ（双氧水）电池，它为ＨＵＧＩＮ３０００ＡＵＶ在水下３０００ｍ提供足够的动力使其在４节的航速下航行超过５０ｈ，总能量达到了５０ｋＷｈ。
该电池以铝为阳极反应物，以添加在电解液中的过氧化氢（Ｈ５０２）为阴极反应物，主要包括以下部分：６个串连的电池模块组成的电池本体，排气装置，电液循环系统，两个ＨＰ贮槽，电池控制单元，ＤＣ／ＤＣ转换器（输出３０Ｖ，１２００Ｗ）．Ｃｄ—Ｎｉ缓冲电池。
其中阴极采用和ＨＵＧＩＮＩＩ相似的瓶刷状炭电极１７］，每两列碳电极中间排列２８个铝阳极。
这种瓶刷状的碳电极使电池在很低的ＨＰ浓度下即可正常运行，从而使铝阳极的腐蚀和氧的损耗大大降低。
由于电解液的更换和ＨＰ的再充满都非常的迅速，而阳极的更换相对要耗时一些，大约需花费４～５ｈ，因此，铝阳极的设计容量一般为两次下潜所需约１００ｈ，而电解液和ＨＰ的量为一次下潜任务所需约５０ｈ．因此，它典型的工作方式是下潜２－３次之后，再进行铝阳极的更换和液体的再充，而中间则只需要更换电解液和补充ＨＰ。
按现有水平，此电池在中性浮力下的比能量密度和在充换ＨＰ及电解液的速率方面都是很独特的。
按现有铝量，只需要增加电解液和ＨＰ的量就可以提高ＡＵＶ一次任务所需的能量１８１。
图５是一种ＵＵＶ用铝一氧电池设计模式，包括６个主要的系统：电堆系统、电解质控制系统（由泵将ＫＯＨ溶液打人电池）、氧贮存和供应系统、氢气管理系统、热管理系统、电子控制单元１９］。
图５ＵＵＶ用铝氧电池设计模式
Ｆｉｇ．５ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＡｌ—０２ｂａｔｔｅｒｙｆｏｒＵＵＶ
另外燃料电池技术公司（前身为加拿大铝能公司）已经发展并测试了用于水下航行器（ＸＰ一２１ＡＵＶ）的铝半燃料电池。
为ＸＰ一２１设计的铝一空电池，装配于壳体上，长２．２４ｍ，重４００
ｋｇ，携带能量１００。