铝空气电池的开发与应用进展

2015-12-28王众

科学中国人 2015年24期

关键词：氢氧化铝阴极阳极

王众

国家铝合金压力加工工程技术研究中心

铝空气电池的开发与应用进展

王众

国家铝合金压力加工工程技术研究中心

在近年来被用于越来越多的领域，为人们的生活带来非常多的便利。特别是铝作为阳极的空气电池应用中，铝的化学能力密度高，电化学转化率高以及铝的储量丰富都让铝成为未来空气电池的主流。近些年的研究主要是如何改进铝作为阳极的形式，从过去主要的三种形式，如今结合生产生活，固定的形式也在被打破，形式越来越灵活多样.

铝空气电池；形式；催化剂

一、概述

现如今电解铝产业是耗能最为严重的产业之一，通过能量守恒就可以知道，对于铝电解池逆向来进行就会释放大量的能量。换言之，铝电池的具有非常现实的应用基础。铝的电化学当量3Ag/g,每克铝释放的能量相对铁、镁等金属要多很多。并且自然界铝的储量非常丰富，金属铝加工相对也简单很，因此目前开发铝电池是具有非常广阔的应用前景。

另一方面，既可以作为阴极，也可以作为阳极。在1850年，铝首次作为电池的阳极出现是世人面前，经过几年的研究，在1857年，铝又实现了作为电池的阴极出现。在1950年，Al/MnO2电池的出现，才真正意义上让铝电池走入千家万户，至今依然应用广泛。1960年首次经过很多次试验，终于完成了铝空气电池研究，从此，我们的生活就和铝空气电池息息相关，可以说时时刻刻都伴随着我们左右，特别是野外出行，铝空气电源更是必不可少的装备。

铝空气电池（电源）铝是作为阳极，空气是作为阴极。铝空气电池电池的特点非常突出，其能量密度非常高，并且电量供应非常平稳，是目前金属-空气电池的首选。

二、铝空气电池的开发

（一）铝空气电池阳极的开发

铝首先给人们的印象不是很较活波的金属，因为其在空气中不怎么变化。但是其实金属铝在空气中能迅速的氧化，氧化会在金属铝表面形成一层致命的氧化薄膜，就会阻止铝继续氧化，并且氧化薄膜和铝的颜色没有差别，所以给人们很大的误导。

但是其实在化学研究的时候却发现铝其实是非常活波的金属铝很容易就会失去电子被氧化。

铝在电解质溶液中首先会失去电子，形成放电反应：

伴随着反应的进一步进行，Al(OH)4越来越多，之后就会形成Al(OH)3沉淀，OH离子也会被释放出去。

但是Al在电解质溶解中也会和H2O发生反应，产生一些H2。

不过这部分反应是会无效反应，会白白浪费掉一部分铝，所以在实际的电池反应中应该被避免掉。早起的铝电池放点的效率一直都很低，就是因为过多的铝被无效反应消耗掉了。

通过研究发现，如果铝中存在着一些比Al金属性要弱的金属，比如Fe、Cu等就会让铝和铁、铜等在电解质中又形成电池反应，加剧铝的无效反应。因此，早期的研究的一大目的就在要提高铝的纯度提高铝的放电效率。

（二）铝空气电池阴极的开发

铝电池阴极的开发稍稍比阳极的开发晚一步，并且的确铝电池的阴极的确要比做阳极困难很多。铝作为电池的阴极反映需要借助贵金属作为催化剂才能实现。这是因为铝做阴极的反应需要有气体扩散电极，通过气体扩散电极才能有效的增加电极的反应面积，增加电池的转化率，让铝做阴极的电池具有实际的意义。

当然，这种研究大部分是在实验室当中完成的，实际中的应用前景并不是很大，生活真也很少会出现铝做阴极电池。这也是因为贵金属催化剂做成的气体扩散电极造假昂贵，且催化剂消耗严重，成本高昂让其市场推广举步维艰，近些年来，科学家一直都在积极研究改进气体扩散电极，希望能够找到新的相对廉价的金属代替贵金属的使用。

（三）铝空气电池电解质与添加剂

铝空气电池电解质有碱性溶液也有盐水溶液。在碱性溶液中，阳极铝的极化很小，这就使得铝的能量密度变高了。常用的碱性电解质溶液用的是氢氧化钾和氢氧化钠。

盐水溶液最为方便的就是氯化钠溶液，很多时候会直接用海水代替，简单且成本低廉。但是随之未来的问题就是氢氧化铝胶体的大量产生造成一些问题，经常在电解质溶液中加入少量的硫酸钠，碳酸氢钠等来缓解胶体产生。

三、铝空气电池的应用

上文中也提到过，铝空气电池的应用主要还是铝作为阳极存在。电解质中形成的氢氧化铝在并不是纯粹的沉淀颗粒，在初期形成的时候是呈现的胶体状，在电解质溶液中形成的过多的胶体会让电解质的电导率降低并且会抑制反应的正向进行。因此铝作为阳极的问题关键就是如何有效的及时的将铝作为阳极反应产生的氢氧化铝沉淀清除掉，才能保证反应的持续快速进行。

而现实中关于此做过非常多的研究，主要就集中在铝阳极改如何设计才显得高明。铝做阳极的电池主要有三种形式，第一种也是最为传统的形式就是不停的更换阳极，保证电池反应正常进行；第二种就是将铝电池阳极做成楔型，增加阳极的接触面积；第三种形式是将铝阳极做成颗粒形状也是为了增加反应的接触面积，并且还能实现自动换阳极。

当然在实际生活中有时候，铝电池还会被用在特殊的地方就会有另一些特殊的办法，比如在海港附近或者在海上作业平台，铝空气电池会直接将铝做成电缆形状放进海里作为阳极一方，电缆的和海水接触的表面作为阴极。由于特殊的地理环境电缆可以做的很长，海水无限的多足以容纳足够多的氢氧化铝让整个反应非常高效。