1電池工作原理和特點(diǎn)
. 鋁／空氣電池的負(fù)極是鋁合金，電池放電時(shí)是不斷消耗的，生成Al(0H)3；正極是多孔性氧電極，跟氫氧燃料電池的氧電極相同，電池放電時(shí)，從外界進(jìn)入電極的氧(空氣)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成OH。；電解液可分為兩種，其一為中性溶液(NaCl或NH4C1水溶液或海水)，另一種是堿性溶液。因而可以認(rèn)為鋁／空氣電池是半個(gè)燃料電池。電池總的放電反應(yīng)為a. 2Al+3／2o2+3H2o=2A1(oH) 3 中性溶液 2A1+3／2o2+2oH-+3H2o=2A1(oH) 4-堿性溶液" 從可充電性來看，該電池可分為一次電池和機(jī)械可充的二次電池(即更換鋁負(fù)極)。正極使用的氧化劑，可因電池工作環(huán)境不同而異。電池在陸地上工作時(shí)使用空氣；在水下工作時(shí)可使用液氧、壓縮氧、過氧化氫或海水中溶解的氧 鋁／空氣電池具有如下各項(xiàng)特點(diǎn)： a)比能量高，電池理論比能量可達(dá)2290Wh／kg，目前實(shí)際上已經(jīng)達(dá)到300～400Wh／kg。這一數(shù)值遠(yuǎn)高于其他各種電池。;
b)比功率中等，達(dá)到50～200W／kg，這一特性顯然是由氧電極所決定的。因?yàn)檠蹼姌O的工作電位遠(yuǎn)離其熱力學(xué)平衡電位。其交換電流密度很小，電池放電時(shí)極化很大。所以氫氧燃料電池的比功率不高。
c)使用壽命達(dá)到3～4年。這也取決于氧電極的工作壽命，因?yàn)殇X電極是可以不斷更換的。
d)無毒、無有害氣體，不污染環(huán)境。電池反應(yīng)消耗鋁、氧和水，生成Al(OH)3。后者是當(dāng)今用于污水處理的優(yōu)異沉淀劑。
e)可設(shè)計(jì)成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)型式，便于因使用場(chǎng)合不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)。: k* x3 G" . f)資源豐富，原料充足. 2鋁／空氣電池的最新成就
Voltek公司及其合作伙伴最近根據(jù)Voltek A-2型鋁／空氣燃料電池裝車試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)和部件作了進(jìn)一步的改進(jìn)，制成VoltekFuel pak型鋁／空氣燃料電池系統(tǒng)，不但提高了電池的輸出特性，延長(zhǎng)了使用壽命，簡(jiǎn)化了使用維護(hù)程序，而且還大幅度降低了電池成本。以下介紹電池系統(tǒng)性能和制造工藝上取得的成就
a)提高了系統(tǒng)有效輸出。采用鋁合金負(fù)極，電池體系輸出比能量達(dá)到300～400Wh／kg。該電池既可以適用鋁又同時(shí)可以適用鋅，改變了過去那種只能適用一種金屬的設(shè)計(jì)。
b)系統(tǒng)工作狀態(tài)自動(dòng)控制。該系統(tǒng)的升溫啟動(dòng)、工作時(shí)的溫度、氫氣、電壓調(diào)整等均采用微處理器進(jìn)行邏輯控制，并且有自動(dòng)防止故障特性的功能。過去的電池系統(tǒng)均沒有這些功能。
c)系統(tǒng)的復(fù)新或機(jī)械“充電”。過去是把整個(gè)電池體系取下來?yè)Q一個(gè)新的電池體系，現(xiàn)在只要將燃料箱提起來或更換一個(gè)再加裝燃料即可，整個(gè)過程只要幾分鐘
d)鋁負(fù)極的改進(jìn)。過去使用99 .999％超純(sP級(jí))鋁，現(xiàn)在使用不含鐵的99. 9％化學(xué)純(CP級(jí))鋁，其成本比過去約下降44％。以前是機(jī)械加工鋁電極，其公差為O .002，現(xiàn)在采用鑄造方式，允許公差O. 005。此外，鋁負(fù)極的利用率也大幅度提高，由以前的50％～90％提高到90％以上。
e)氧電極的性能大有改善。其工作電流密度達(dá)到650mA／cm2，從而改善了鋁／空氣電池大電流放電性能，氧電極的壽命也由過去的200次提高到3000次以上。以前的氧電極是堅(jiān)硬的，現(xiàn)在改成柔軟的，從而減小了電極厚度和電壓降，提高了系統(tǒng)輸出功率。
f)氧電極催化劑的改進(jìn)。過去采用銀或鉑作為催化劑，現(xiàn)在改成廉價(jià)的金屬催化劑，使電極成本大幅度下降，質(zhì)量也得到了很好控制。
g)實(shí)現(xiàn)整體“綠色循環(huán)”。整個(gè)體系只消耗氧、鋁和水，生成的Al(0H)3可以電解再生； Al(0H) 3可用于城市污水凈化或造紙污水的凈化。3電動(dòng)車電源的有力競(jìng)爭(zhēng)者1* 當(dāng)前制約電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素是其動(dòng)力系統(tǒng)，也就是電池。當(dāng)今真正投入商業(yè)運(yùn)行的電動(dòng)車，幾乎全部是鉛蓄電池。但鉛蓄電池比能低，限制了電動(dòng)車的行程，因而人們也同時(shí)開發(fā)新的高比能電池，以提高電動(dòng)車的行程。正在開發(fā)的或做過裝車試驗(yàn)的電池有：鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池、金屬／空氣電池等。鋁／空氣%
電池在這些競(jìng)爭(zhēng)者面前具有非常誘人的魅力
首先，鋁／空氣電池具有300～400Wh／kg高比能量，高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。其次，鋁／空氣電池可以采取機(jī)械式“充電”，只要幾分鐘就可以方便地更換新的鋁電極，使電池“充足電”，又可繼續(xù)行駛。這是任何二次電池做不到的。即使采用快速充電方法，要使電池充足電，也要數(shù)個(gè)小時(shí)。
Voltek對(duì)鋁／空氣電池的最新研究成果，又將電池的壽命延長(zhǎng)近10倍，使“充電”次數(shù)由200次提高到3000次，氧電極催化劑成本下降，鋁電極利用率提高，促使電池成本大幅度下降 初步估算表明，對(duì)于普通卡車，每400km消耗14kg鋁和25L水，負(fù)極中鋁塊重68kg，如鋁的利用率為85％，則負(fù)極可運(yùn)行1600km，水則每400km加一次，類似于燃油車相同的行駛時(shí)間加油一樣。這樣的行駛方式是可以接受的。目前美國(guó)、加拿大等國(guó)均在大力開發(fā)鋁／空氣電池作為電動(dòng)車電源使其充分發(fā)揮燃料電池和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
4潛艇AIP系統(tǒng)的優(yōu)秀能源
潛艇是世界各國(guó)海軍的重要武器裝備，它在水面航行時(shí)靠柴油發(fā)電機(jī)組提供推進(jìn)動(dòng)力；水下航行時(shí)則完全由鉛酸蓄電池組提供動(dòng)力。由于鉛酸蓄電池組的容量有限，潛艇在水下連續(xù)航行的時(shí)間或距離就受到蓄電池組容量的限制. 為了延長(zhǎng)潛艇一次性水下航行的里程，在原有的蓄電池組和柴油發(fā)電機(jī)組不變的條件下，另外在潛艇中添加一個(gè)不依賴空氣的動(dòng)力系統(tǒng)，即AIP系統(tǒng)作動(dòng)力，自帶燃料油和氧化劑(液態(tài)氧)。德國(guó)使用的120kW質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池組成潛艇AIP系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的氫源使用金屬氫化物貯存氫，采用液氧作氧化劑。使用燃料電池使能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60％以上，比其他熱機(jī)要高出一倍，可使?jié)撏乱淮魏叫欣锍萄娱L(zhǎng)一倍。德國(guó)的成功試驗(yàn)證明采用燃料電池作動(dòng)力源的潛艇AIP系統(tǒng)，其性能非常優(yōu)異。
使用鋁氧燃料電池取代氫氧燃料電池用于潛艇AIP系統(tǒng)之后，其唯一的區(qū)別是用鋁負(fù)極取代了氫負(fù)極。Altek公司最新研究的鋁／空氣燃料電池，負(fù)極鋁的利用率可以達(dá)到90％，大于燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，鋁是很輕的金屬，它的重量小于氫及氫源裝置的總重量。因而整個(gè)AIP系統(tǒng)的重量和體積將會(huì)減小，提高了AIP系統(tǒng)的能量密度，延長(zhǎng)了潛艇的一次性水下航行里程。
5水下機(jī)器人的最佳動(dòng)力電源
為了開發(fā)海洋資源，很有必要深入大海進(jìn)行調(diào)查研究。海底作業(yè)需要一個(gè)能較長(zhǎng)時(shí)間在海底工作的作業(yè)平臺(tái)。為了確保安全，可以首先使用自動(dòng)化的無纜水下機(jī)器人。
設(shè)計(jì)水下機(jī)器人時(shí)電池的總重量盡可能輕一些，以便能攜帶更多的儀器設(shè)備。潛航時(shí)間盡可能長(zhǎng)些，目前要求工作時(shí)間是12～36h，因而要求電池的比能量盡可能大一些。 鋁／氧燃料電池重量輕，比能大，正滿足這些要求。目前在一些國(guó)家的水下機(jī)器人中使用的是鉛酸電池和鋅銀電池，但可以預(yù)見不久將會(huì)被比能量很高的鋁／氧燃料電池所代替
挪威的HUGIN3000水下機(jī)器人采用鋁／過氧化氫電池作動(dòng)力。該電池的氧電極使用由過氧化氫分解而來的氧。每kg過氧化氫可以生成 O .471kg的氧。當(dāng)用于鋁氧電池工作時(shí)，它可以產(chǎn)生2～2 4kWh的電能。電池每次放完電后，鋁負(fù)極和電解液重新更換，同時(shí)要補(bǔ)充過氧化氫，這些工作只要幾分鐘就可完成。HUGIN3000水下機(jī)器人的排水量為2. 4 m3，下潛深度達(dá)到水下600～3000m，在900W額定負(fù)荷條件下可以連續(xù)工作48h。即電池要輸出能量43. 2kWh，需要攜帶過氧化氫1. 8～20kg即可。
6價(jià)廉物美的海底信號(hào)電源 海底油井或氣井鉆探和生產(chǎn)過程中，需要長(zhǎng)壽命高比能的蓄電池。鋁海水電池是最好的選擇。
采用鋁合金為負(fù)極，多孔性氧電極為正極，海水為電解液。該電池的鋁電極反應(yīng)仍跟鋁空氣電池相同。即：AI+30H-→Al(OH) 3+3e4 然而在氧電極上卻是溶解在海水中的氧進(jìn)行還原生成OH-，即o2+2H2o+4e→4oH。 由于海水中溶解的氧的濃度較低，電池在工作電流密度為O. lmA／cm2時(shí)電池工作電壓達(dá)到1. 4V。為了提高電池工作電流密度，電池采用一片負(fù)極配多片正極的結(jié)構(gòu)形式；同時(shí)由于直接使用海水作電解質(zhì)，這種電池可做成開放式的，不要電池外殼。這樣電池工作時(shí)只消耗鋁，其比能量將得到顯著提高。在文獻(xiàn)中介紹了采用1片鋁電極配5片氧電極的電池結(jié)構(gòu)形式，其工作電流密度可達(dá)到O. 5mA／cm2。功率為25W的電池工作一年，鋁消耗約74kg，加上正極50kg和導(dǎo)電件緊固件50kg，合計(jì)174kg。則電池的比能量達(dá)到1260Wh／kg，這是任何一種原電池都難以達(dá)到的。
7小結(jié)
a)鋁空氣電池比能量高，對(duì)環(huán)境友好。新近的開發(fā)工作不僅提高了電池性能，而且還大幅度降低成本和簡(jiǎn)化使用維護(hù)程序，使電池向?qū)嵱没较蜻~了一大步。
b)電池的結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)用要求設(shè)計(jì)成開放式或封閉式；電解液可以是中性的或堿性的，可以是循環(huán)的也可以是固定的；所需的氧化劑可以從實(shí)用環(huán)境中“就地取材”，采用空氣、壓縮氧、液氧、過氧化氫或海水中溶解的氧。
c)鋁空氣(氧)電池既可用于陸上又可用于深海；既可作動(dòng)力電源，又是長(zhǎng)壽命高比能的信號(hào)電源
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