铝-空气新能源电池技术及其放电特性

铝一空气新能源电池技术及其放电特性蔡艳平，李艾华，徐斌，王涛，赵军红（第二炮兵工程大学五系，陕西西安７１００２５）

摘要：针对柴油发电机组存在震动噪声大、污染大、维护保养要求高等诸多弊端，开展了铝一空气新能源电池技术研究。分析了铝一空气电池的工作原理和特点，完成了铝一空气电池单体和电堆设计·ｔ研究了铝一空气电池的能量转换和放电机理，分析了铝一空气单体的伏安特性；通过电源启动试验、长时间放电性能试验、放电容量测算试验、伏安特性试验，掌握了铝一空气电堆的放电特性，为大功率铝一空气电站研制奠定了基础。试验结果表明。该新能源电池可满足大功率用电要求。关键词：铝一空气电池；放电机理；伏安特性；柴油发电机组中图分类号：ＴＭ９１１文献标识码：Ａ文章编号：１００２—０８７Ｘ（２０１５）０６—１２３２－０３

Ａｌｕｍｉｎｕｍ—ａｉｒｎｅｗｅｎｅｒｇｙｂａｔｔｅｒｙａｎｄｉｔｓｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｒａｗｂａｃｋｓｏｆｄｉｅｓｅｌｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｅｔ。ｓｕｃｈａｓｖｉｂｒａｔｉｏｎｎｏｉｓｅ，ｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｅｒ

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能源技术是世界各国竞相抢占的战略制高点。铝一空气电池以铝合金为负极，空气中的氧为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生化学反应，产生电子流动形成电流而发电，因其无污染、运行温度低、比能量高、能再生利用等优点，特别适合作为移动电源，成为燃料电池开发的热点。与常规电池不同，只要有铝合金燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规火力发电不同，它不受卡诺循环限制，能量转换效率高。由于铝一空气电池的以上优点，因此很有希望代替柴油机成为新型电站能源，以此解决柴油发电机组存在的震动噪声大、污染大、维护保养要求高等诸多弊端。上世纪８０年代以来，美国、英国、俄罗斯、加拿大、挪威、日本等发达国家就开展了大量的铝一空气电池技术研究，并应用于电动车、固定通讯、城市备用电源和军事等领域【ｌ－３】。近年来，挪威国防研究所、美国水下武器研究中心、加拿大铝新能源公司和俄罗斯海军研究中心等机构都在积极开展将铝一空气电池应用于无人水下航行器、深海救援艇和柴电潜艇等收稿日期：２０１４—１１—０５基金项目：第二炮兵工程大学创新基金（ＸＹ２０１３ＪＪＢ０６）作者简介：蔡艳平（１９８２＿－），男，湖北省人，博士后，主要研究方向为信号处理和军用电源技术。２０１５．６Ｖ０１．３９ＮＯ．６领域的研究工作ｍ】。我国在铝一空气电池研究方面相对而言则起步较晚，研究机构也不多。其中，哈尔滨工业大学、中南大学、天津大学、大连化物所、武汉大学等分别对铝一空气电池做了研究探索刚】。由于后期我国对光伏产业、锂电池、氢质子膜电池、液流电池产业的大力扶持，多家研究单位相继减小了对铝一空气电池技术的投入，改为实验室内的探索研究。目前，铝一空气电池在大功率和工程化研究方面还存在一些困难，比如铝电极自放电抑制难度大、大功率集成化难度大，因此国内外还没有大功率铝一空气电源产品进入实用阶段。鉴于此，本文开展铝一空气新能源电池技术研究，掌握其放电特性，电站运行最佳温度、启动稳定时间、长时间持续放电性能、负载响应性能等特性，为大功率电站集成奠定基础。１铝一空气电池工作原理和特点

铝一空气电池主要由铝合金电极、空气电极和电解液组成，图１为铝一空气电池工作原理图。铝合金电极（负极）不断与电解液中的ＯＨ一（氢氧离子）反应，生成ＡＩ（ＯＨ）４－（四氢氧化铝）并放出电子，电子通过外线路负载流入空气电极（正极），空气电极获得电子，与水发生还原反应生成ＯＨ一，化学反应持续进行，铝电极和氧气不断消耗，电子在外线路不断定向流动形

１２３２万方数据０…叫计…；◇善醺

图１铝一空气电池工作原理图成电流而发电。其中，当ＡＩ（ＯＨ）４一达到一定浓度时，会自然生成ＡＩ（ＯＨ），（氢氧化铝），氢氧化铝在自然条件下失水变成三氧化二铝。具体化学反应式为：铝电极：ＡＩ＋４ＯＨ一一舢（ｏＨ）。一＋

３ｅ一；空气电极反应：０２＋２Ｈ２０＋４ｅ一－－＊４ＯＨ一；电池总反应：

４ＡＩ＋３０２＂ｂ４ＯＨ一＋６Ｈ２０－＊２ＡＩ（ＯＨ）４－－＊２ＡＩ（ＯＨ）３＋２（ＯＨ）一一

Ａ１２０３＋３Ｈ２０。铝一空气电池具有六大特点。一是比能量高，其比能量理

论上可高达８７１８Ｗｈ／ｋｇ，目前实际可达到３５０～４００

Ｗｈ／ｋｇ，

远高于其他各种电池。二是能量转化率高，电源放电是一个化学反应过程，没有燃烧和机械运动过程，能量损失小。三是电源质量轻，铝一空气电池总质量与同样功率的铅酸电池相比，其质量只相当于铅酸电池的ｌ／９。四是运行成本低，电站运行成本仅为２．４元／ｋＷｈ，与柴油发电机组基本相当，远低于其他高能化学电源（约５～２０元／ｋＷｈ），且其最终反应产物是优质的陶瓷工业材料，可回收再利用。五是工作温度低，电站工作时没有任何机械震动和噪声，最高工作温度不超过５０℃。六是操作维护简单，电站没有运动部分，无噪声，可实现静音操作，因此不存在机械磨损和机械故障，运行可靠。另外，铝一空气电源是发电设备，不是储能设备，因此，避免了蓄电池的内漏电、过充电和过放电，电池记忆性等问题，维护方便，只要有足够的燃料储备，就能够长时间不问断工作。采用模块化设计，电堆可插拔式整体更换，能实现长时间连续工作，并可根据负载工况自适应调整输出功率。２铝一空气单体和电堆设计在铝一空气电源中，铝一空气单体模块是电站发电的核心部件，该模块以铝合金电极为负极、空气电极为正极，在电解液和催化剂共同作用下发生化学反应，产生电子流动而发电。其中，空气电极由防水层、金属网格和催化层压制而成，防水层保证空气中的氧气顺利通过并抵达催化层，同时防止电池内的电解液漏出。铝一空气电池包括单体支架、电解液进／出液口、空气电极、铝合金电极等，当单体内铝合金负极随电池工作完全耗尽，可补充，单体可连续工作，只“燃烧”消耗铝合金和空气中的氧气。为实现大功率铝一空气电源供电需求，可以根据用户功率需求量身定制从几瓦、几百瓦、几千瓦到几十千瓦量级的固定或可搬移小型电站，因此需要将多个单体电池串联或并联组成电堆。图２为２６个单体串联而成的电堆，电堆中单体之间通过‘１、篡糍／：懋黑‘苎ｊ，、－～一，·－１、ｆ√日．‘一ｊ．：ｔ．Ｉ～ｂ，ｏ－一·＿·，．．：！■图２铝一空气电池电堆结构图单体凸棱隔开，其间隙为５ｔｕｎａ，单体之间的电解液进／出液口均是独立隔开的，保证了单体供液的均匀性。３铝一空气单体放电机理研究为摸清铝一空气新能源电池放电机理，首先通过对铝一空气电池阳极进行塔菲尔曲线、交流阻抗测试、析氢速率测试、开路电压测试、极化性能测试来掌握电池合金阳极在电解溶液中的电性能，摸清铝合金阳极的作用机理；其次，通过电子负载、数字示波器和自制电池测试系统摸清电池单体的伏安特性、瞬时响应特性、单体内阻特性、放电容量、大功率放电性能、长时间持续放电性能和稳定输出等。图３为铝一空气单体电源试验现场图。图３铝一空气单体电源试验现场图以铝合金为负极，空气电极为正极，６ｍｏｌ／ＬＫＯＨ为电解液，组成单体电池并进行了放电试验。铝一空气电源单体的放电特性是开路电压较高（１．８１ｖ），单体输出截止电压为Ｏ．８ｖ，

单体工作电流密度为１７０ｍＡ／ｃｍ２左右，单体稳定输出１００Ｗ

的时间至少为６ｈ，即单体以１００Ａ放电、１．０Ｖ电压输出持续时间≥６ｈ。依据铝一空气电源单体的放电特性可知：单体铝合金的面积尺寸决定其电流大小，单体铝合金厚度决定其容量大小，单体工作电流密度为１７０ｍＡ／ｃｍｚ左右。为设计出放电电流≥１００Ａ的单体，单体铝合金反应面积至少／＞６００ｃｍ：。考虑到单体空气透气膜的生产工艺，可将单体铝合金有效反应面积设计为６００ｃｍ２（３００ｉｎｌｒｌｘ２００ｍｍ），单体铝合金厚度设计为４ｉｎｎｌ，这样每个单体的功率则为１００Ｗ，电容量为６００Ａｈ。４铝一空气电堆放电特性分析

在上述铝一空气单体的能量转换和放电机理研究基础上，将２６个单体串联组成电堆，开展铝一空气电堆放电性能试验。图４为试验中采用的ＦＺＣ３０００Ｚ．５０ｋＷ直流电站自动化测试系统，图５为铝一空气电堆试验现场，具体步骤如下：

１２３３２０１５．６Ｖ０１．３９Ｎｏ．６

万方数据