中國(guó)化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集燃料電池Ｅ

高能金屬鋁燃料電池的研究

唐有根，盧凌彬

（中南大學(xué)化學(xué)電源與材料研究所，湖南長(zhǎng)沙，４１００８３）

金屬鋁燃料電池以具有高能量密度的鋁合金做燃料，直接將金屬鋁中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。金屬鋁理論比能量可達(dá)到４０５０Ｗｈ／Ｋｇ，制成電池后實(shí)際比能量也可達(dá)到３５０Ｗｈ／Ｋｇ，是鋰離子電池（１５０Ｗｈ／Ｋｇ）的２倍多。鋁燃料電池做手機(jī)電池，待機(jī)時(shí)間超過(guò)６０天；做電動(dòng)汽車(chē)電源，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)重量下，補(bǔ)充一次燃料可以行駛１６００Ｋｍ。金屬鋁燃料電池發(fā)電效率高，不存在環(huán)境污染，燃料儲(chǔ)存極其安全，成本十分低廉，再充電只需更換金屬燃料（僅需幾分鐘），是目前最有發(fā)展前途的電源，將成為近期實(shí)用化的高能電池技術(shù)。

金屬鋁燃料電池由陽(yáng)極鋁合金、石墨空氣陰極和電解液組成，通過(guò)鋁的“燃燒”產(chǎn)生電能。鋁作為電池的燃料，空氣中的氧氣則是助燃劑，金屬鋁與空氣中的氧氣之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，電極反應(yīng)生成的Ａ１（ＯＨ）４－Ｉ＇由流動(dòng)的電解液帶走，電池采用機(jī)械充電方式，通過(guò)置換鋁板與添加電解液的方式進(jìn)行充電。

由于鋁在電解液中的腐蝕速度太快，產(chǎn)生大量的氫氣，導(dǎo)致陽(yáng)極的法拉第效率極低；同時(shí)鋁表面所覆蓋的氧化膜，致使鋁陽(yáng)極過(guò)電位升高，降低了陽(yáng)極的電壓效率，所以往往需要加入其它的元素進(jìn)行改性。通常在鋁合金加入能降低氧化膜電阻，形成低共熔體合金，并且具有高氫超電位的金屬元素。鎵、銦是提高鋁合金電化學(xué)性能最重要的元素，而鉛、鉍、錫、鋅、鎂、鎘等也可提高材料綜合性能，錳可以與鐵形成ＦｅＭｎＡＩ；，從而抑制Ｆｅ對(duì)鋁陽(yáng)極庫(kù)侖效率的降低。以Ａｌ—Ｇａ、Ａ１一Ｉｎ、Ａ１一Ｇａ—Ｉｎ合金為基質(zhì)，再輔以鉛、鉍、錫、鋅、鎂、鎘、鐵等元素可以制成系列陽(yáng)極材料。加拿大鋁業(yè)公司ＥＬＴＥＣＨ已研制了幾種不同成分的具有高功率密度和高能最產(chǎn)出的鋁合金。此外，鋁陽(yáng)極的形狀對(duì)電池性能也有一定影響，適宜的電極形狀可以減小鋁電極的腐蝕率，增大電池功率和放電密度。

金屬鋁燃料電池的核心是空氣電極?？諝怅帢O主要包含載體、催化劑、透氣膜等。金屬鋁燃料電池中存在的一些主要問(wèn)題都與空氣電極有關(guān)，高效空氣電極的開(kāi)發(fā)將會(huì)使電池功率得到極大提高。在金屬鋁燃料電池的價(jià)格中貴金屬催化劑占了很大一部分，尋找廉價(jià)高效的催化劑以替代傳統(tǒng)的貴金屬催化劑是使金屬鋁燃料電池走向商業(yè)化、實(shí)用化的關(guān)鍵。目前已發(fā)現(xiàn)金屬化石墨，大環(huán)化合物，金屬氧化物，摻雜電極等廉價(jià)的催化劑也能起到促使氧氣還原的催化作用。

金屬鋁燃料電池的電解液可以是中性鹽溶液，也可以是堿性溶液。但由于在鹽溶液中電池放電產(chǎn)物會(huì)成凝膠狀，增大電池電阻，降低電池效率，而在堿液中則不會(huì)出現(xiàn)這種情況，所以從電池效率上來(lái)講，使用堿溶液要比使用鹽溶液好。但對(duì)于海用電池，使用鹽溶液也有其優(yōu)勢(shì)。電解液除了支持電池反應(yīng)外，還有一個(gè)重要的作用是溶下電極上的電解產(chǎn)物，使電解產(chǎn)物能隨電解液移出電池。如果電極上附著電解產(chǎn)物，將會(huì)增大電池內(nèi)阻，降低電池效率，一個(gè)好的高效的電池體系必須有一個(gè)有效的電解液處理系統(tǒng)。因此，電解液的組成對(duì)金屬鋁燃料電池的性能有重要影響。

金屬鋁燃料電池具有原料豐富、成本低、無(wú)毒害、功率密度高、能量密度高等較優(yōu)的電化學(xué)性能，在電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)工具、航天電池、海洋船舶動(dòng)力、城市動(dòng)力電源、工廠備用電源等方面均有應(yīng)用。無(wú)論從民用還是從軍用角度看，此類(lèi)電池都具有巨大的發(fā)展?jié)摿秃芎玫漠a(chǎn)業(yè)化前景。