铝空气电池技术在国防军工领域应用分析

祝树生，李志国，王小辉，解春雷

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076)

铝空气电池技术在国防军工领域应用分析

祝树生，李志国，王小辉，解春雷

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076)

铝空气电池作为新型的燃料电池，具有比能量高、无毒、无污染、内阻小、贮存寿命长等特点，目前主要应用于工业领域。结合铝空气电池技术特点和发展情况，介绍了铝空气电池技术在国防军工领域的应用，并对铝空气电池的关键技术和发展现状进行了分析。

铝空气电池；国防军工；应用分析

铝空气电池是以空气中的氧为正极活性物质，铝合金为负极活性物质，空气中的氧气通过气体扩散电极到达化学反应界面，与铝反应，放出电能。铝空气电池具有无毒、无污染、比能量高、内阻小、贮存寿命长、价格相对便宜、工艺技术要求较低及能再生利用等优点[1]。铝空气电池作为非充电电池，早在20世纪60年代便已问世，但由于其放电过程中阳极腐蚀会产生氢，这不仅会导致阳极材料的过度消耗，而且还会增加电池内部的电学损耗，因此其商业化进程较慢[2]。

1 铝空气电池工作原理

铝空气电池的负极是铝合金，它在放电过程中溶解，生成Al(OH)3；正极是多孔性氧电极，跟氢氧燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧(空气)发生电化学反应而释放出电能，生成OH-。电解液可分为两种：一种为中性溶液或盐性溶液(NaCl或NH4Cl水溶液或海水)；另一种是碱性溶液。因而可以认为铝空气电池是半个燃料电池。铝是一种活性金属，它比锌、锂和铁之类的金属更吸引人，它具有高的比能量，高的比功率密度。铝空气电池总的放电反应为：

盐性电解液和碱性电解液电池的不同之处主要体现在电压和反应物两个方面。从可充电性来看，该电池可分为一次电池和可机械充电的二次电池(即更换铝负极)。正极使用的氧化剂，可因电池工作环境不同而异。电池在陆地上工作时使用空气；在水下工作时可使用液氧、压缩氧、过氧化氢或水中溶解的氧。图1为铝空气电池工作原理图。

图1 铝空气电池工作原理图

2 铝空气电池特点

(1)比能量高。电池理论比能量可达2 290 Wh/kg，目前实际上已经达到300～400 Wh/kg。这一数值远高于其他各种电池。

(2)比功率中等。达到50～200 W/kg，这一特性显然是由氧电极所决定的。因为氧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，所以氢氧燃料电池的比功率不高。

(3)使用寿命达到3～4年。这也取决于氧电极的工作寿命，因为铝电极是可以不断更换的。

(4)充电时间短。只需数分钟便可完成，传统电池需要数小时才能完成。

(5)无毒、无有害气体，不污染环境。电池反应消耗铝、氧和水，生成Al(OH)3。后者是目前用于污水处理的优异沉淀剂。

(6)可设计成电解液循环和不循环两种结构型式，便于根据不同的使用场合进行设计。不循环电解液电池结构简单，正极在最外面，负极在中间，电解液在最里面。循环电解液的机械充电电池的废电解液和废负极更换起来比较容易，可使负极总是保持较高的效率。

(7)铝资源丰富，原料充足。我国铝资源比较丰富，开发和生产该种电池不存在原料供不应求的问题。

3 铝空气电池的研究进展

加拿大美铝公司(Alcoa)和以色列公司Phinergy、Voltek公司及其合作伙伴在开发铝空气电池方面做了大量的研究工作，取得了很大进展[3-4]。Phinergy公司目前已开发出一种金属铝阳极专用生产工艺，该工艺可以提高金属铝的能力利用，并降低不必要的化学反应能量消耗。Phinergy公司还表示，其还开发了一套先进的电池管理系统，目的是为了提高电池的能量利用。Phinergy铝空气电池的空气阴极配备有专用银基催化剂，其采用了独特的创新结构，该结构可以使氧气顺利通过，而将二氧化碳阻隔在外。通过该创新结构，Phinergy铝空气电池的空气阴极可以有效避免电极的碳化问题，其工作寿命也因此可以达到数千小时。Phinergy铝空气电池工作时，其内部的金属铝反应变为氢氧化铝。而氢氧化铝可以经过铝厂加工进行回收利用，这样便可以实现可重复利用。

Voltek公司则对整个电池系统和部件作了进一步的改进，制成了Voltek Fuel Pak型铝空气燃料电池系统，不但提高了电池的输出特性，延长了使用寿命，简化了使用维护程序。采用了铝合金负极，电池体系输出比能量达到 300～400 Wh/kg，且该电池既可以适用铝又可以适用锌，改变了过去只能适用一种金属的设计。Voltek Fuel Pak型电池加入了系统工作状态自动控制功能，升温启动、工作时的温度、电压调整等均采用微处理器进行逻辑控制，并且有自动防止故障特性的功能。铝负极由使用99.999%超纯铝改为使用不含铁的99.9%化学铝，降低了成本。

4 航天领域电池技术的整体水平状况分析

4.1 锌银电池

锌银电池从20世纪60年代开始至今已在我国多个型号上使用，其比能量为200 Wh/kg，其设计技术和工艺技术都很成熟，环境适应性较高，电压输出稳定。该类电池工作需要在一定温度下，当温度低于20℃，在没有加热措施情况下，初始加载大电流会存在电压低头，有可能出现不满足使用要求的现象。锌银电池主要应用于机动性、可靠性、安全性要求较高，工作时间较长的场合，目前已在卫星及导弹武器上广泛使用。

4.2 锂离子电池

锂离子电池是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子化合物组成。锂离子电池能量密度典型值(电池芯)仅150～240 Wh/kg，使用寿命一般可达到5年以上。该类电池技术成熟，可靠性高，低温放电能力高，目前已在我国航天、航空、航海、电子、兵器等多个领域广泛使用。

4.3 氢镍电池

高压氢镍电池是把传统的镉镍电池的镍电极与燃料电池的催化氢电极结合在一起而组成的化学电源体系。由于电池中的负极活性物质氢是以气态氢气的形式存在，因此高压氢镍电池必须在一个密闭的压力容器中才能工作，能量密度通常为40～60 Wh/L。由于镍电极和氢电极具有极强的使用寿命，因此高压氢镍电池是使用寿命最长的化学电源体系，同时具有极强的耐过充电及过放电特性，可靠性高，耐用性好。

4.4 热电池

热电池是一种熔融盐电解质贮备电池，在常温下电解质是不导电的固体，使用时通过撞击火帽或点燃电发火头，引燃单元热电池内部的烟火热源，使电解质熔融，激活热电池组，从而提供用电设备所需的电流和电压。比能量达到50 Wh/kg，比功率达到2 500 W/kg。热电池具有激活时间短、可任意角度激活、贮存时间长的特点，其主要应用在机动性要求高，工作时间短，瞬间工作电流大的场合，目前已在我国多个导弹武器型号使用。

4.5 小结

从各种类型的星/弹上电池特点看，其比能量密度、可靠性和安全性是电池成败的关键特点，截止目前铝空气电池的实际比能量虽然只达到350 Wh/kg，但已是铅酸电池的1.8倍、氢镍电池的5.8倍、锂电池的2.3倍，从比能量角度看已经很高。由于属于新技术，所以其安全性和可靠性需要进一步加强。

5 应用分析

由于铝空气电池结构的可变性，针对返回式或重复使用式航天飞行器如返回舱或可重复使用火箭，通过将空气直接替换为预置氧气的方式来完成电源转换。对于一次性飞行器如导弹、卫星等可设计成封闭式结构。

在航海领域，目前水面船只航行时的动力基本靠柴油发电机组提供，潜艇水下航行时则完全由铅酸蓄电池组提供动力。对于长时间在海上航行的潜艇和船只，由于其柴油存储和铅酸蓄电池组的容量有限，其航行时间和距离就受到了较大限制。目前德国使用的以铝氧燃料电池组成的动力系统使能量转换效率高达60%以上，可使潜艇水下航行里程延长一倍。

在地面作战领域，我国军队使用的地面大型车辆、作战坦克、运兵车等均采用柴油发动机，在地面运动过程中红外特性较大，而且受限于油箱容积，其机动距离受限。如果采用铝空气电池后，其红外特性会有显著下降，机动距离会变为现在的2倍以上。

6 结束语

由于我国具有丰富的铝资源，并且铝是开发电池的理想电极材料，其放电过程的产物不会对环境等造成污染，具有安全、环保、造价低、质量轻、体积小和比能量高等优点，因此铝空气电池在我国国防领域有着广阔的应用前景。

[1]ROGER A P.The aluminum air battery[J].Light Metal Age,2000, 58(3/4):108-110.

[2]任志伟，周德璧，屠赛琦.铝空气电池阴极材料的制备及电性能[J].电源技术，2007,31(9):706-708.

[3]桂长清.铝空气电池的前景[J].电池，2002,32(5)：305-307.

[4]王振波，尹鸽平，史鹏飞.铝电池用合金阳极的研究进展[J].电池，2003,33(1):41-43.

Application of aluminum air battery in high-tech defense industry

As a new-fashioned fuel cells,aluminum air battery had many advantages such as high power and energy density,nontoxic,non-polluting,long life,also they played an important part in industry.Combined with performances and development of the aluminum air battery, the application of aluminum air battery in the high-tech defense industry was reviewed,and the key technology and the development status were analyzed.

aluminum air battery;national defense;analysis of application

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2316-02

2015-03-27

祝树生(1984—)，男，山西省人，工程师，主要研究方向为电气系统总体设计。