鋁電池研究進(jìn)展

2014年,新研制的一種以鋁為材質(zhì)的金屬?gòu)?fù)合燃料電池已經(jīng)在電動(dòng)汽車上開始試驗(yàn),效果良好。業(yè)內(nèi)分析認(rèn)為,鋁電池概念有望受到市場(chǎng)關(guān)注。報(bào)道稱,據(jù)該項(xiàng)新發(fā)明的專利持有人介紹,與傳統(tǒng)電池相比,該電池有3個(gè)特點(diǎn),一是在世界上獨(dú)創(chuàng)了以流動(dòng)的液體作為正極材料,電流和功率較大,可以做到千、萬安培級(jí)；二是以鋁作為材料,并解決了鋁的自腐問題,在世界上首次實(shí)現(xiàn)了鋁的大電流應(yīng)用；三是不需要充電樁,僅僅需要加入含固體的電池水,可以不受時(shí)間和空間的限制。據(jù)深圳發(fā)明家協(xié)會(huì)相關(guān)專家介紹,該項(xiàng)目標(biāo)志著我國(guó)新能源領(lǐng)域又將邁上一個(gè)新的臺(tái)階,并可大大減少對(duì)石油的依賴和環(huán)境的污染。前期已經(jīng)在電動(dòng)叉車上應(yīng)用,效果非常好,未來投入工業(yè)生產(chǎn)后,適用范圍廣。

鋁含量豐富且價(jià)格低廉，鋁電池性能優(yōu)秀且對(duì)環(huán)境友好，其產(chǎn)物無毒可用于其他工業(yè)用途而無需特別處理，是理想的電池體系；在當(dāng)前資源匱乏，環(huán)境日益惡化的的情況下，鋁電池的研究對(duì)于可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。但鋁電極在放電介質(zhì)中的極化和寄生腐蝕反應(yīng)等問題，嚴(yán)重地制約了鋁電池的發(fā)展。通過鋁合金陽(yáng)極的微合金化，對(duì)電解質(zhì)及電池結(jié)構(gòu)研究的不斷深入將逐漸推動(dòng)鋁電池體系發(fā)展。鋁電池具有廣闊的發(fā)展前景。

鋁電池雖研究較多，但卻沒有一種能真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)化，究其原因有三點(diǎn) ：

(1)鋁容易形成致密的氧化膜，使鋁電極電位迅速下降；

(2)鋁較活潑且是兩性元素，容易與介質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重析氫反應(yīng)；

(3)堿性介質(zhì)中，鋁陽(yáng)極成流反應(yīng)和腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物均為AI(OH)3，不但降低電解質(zhì)電導(dǎo)率而且增加鋁陽(yáng)極極化，使得鋁電池性能惡化，生成的膠狀A(yù)I(OH)3在無催化劑條件下很難轉(zhuǎn)化為可溶于水的AI(OH)₄-。

當(dāng)前解決上述問題一般從以下三點(diǎn)出發(fā)：

(1)從鋁合金本身出發(fā)，添加合金元素如In，Mn，Mg，Zn，Ga，Sn，T1等，改善鋁合金陽(yáng)極性能，使得鋁在反應(yīng)介質(zhì)中得到活化；

(2)從反應(yīng)介質(zhì)出發(fā)，在反應(yīng)介質(zhì)中加入可降低鋁陽(yáng)極析氫速率的添加劑；

(3)從電池體結(jié)構(gòu)出發(fā)，改善電池透氣和排液結(jié)構(gòu)，或設(shè)計(jì)為電解質(zhì)循環(huán)結(jié)構(gòu)。

鋁是理想的陽(yáng)極材料，目前有多種鋁電池，例如：

鋁電池AL/空氣型

AL/空氣型電池是一種新型高比能電池,鋁以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將成為金屬/空氣電池陽(yáng)極的首選材料。

AL/空氣型電池中，鋁合金負(fù)極在電池放電時(shí)不斷消耗，并生成AL(OH)₃；正極是多孔性氧電極。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。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)，電解液可分為中性溶液(NaCI或NHC1水溶液或海水)和堿性溶液。

Al/空氣型電池可設(shè)計(jì)成應(yīng)急電源、電動(dòng)車用電源以及信號(hào)電源等。作為推進(jìn)器用一次電源，具有高達(dá)300-400Wh/kg的實(shí)際比能量，遠(yuǎn)高于其他金屬/空氣電池J。電池結(jié)構(gòu)和使用的原材料可根據(jù)實(shí)用環(huán)境和要求而變動(dòng)，具有很大的適應(yīng)性。但其組裝的復(fù)雜性可能會(huì)阻礙其發(fā)展，通過合理的工藝改善其電池結(jié)構(gòu)，提高其性能，將使得鋁/空氣電池取得進(jìn)一步的發(fā)展。

鋁電池熔鹽鋁型

鋁在高溫條件下具有較高電負(fù)性，是理想的熔鹽體系電池電極材料。與水溶液電解質(zhì)相比，熔鹽電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)主要為有高的電導(dǎo)率，低的極化率和高分解電勢(shì)。而且鋁在熔鹽電解質(zhì)中可發(fā)生電化學(xué)沉積，故可開發(fā)為鋁二次電池。鋁熔鹽二次電池具有較高能量密度，但電池工作電壓不高，且充電過程中鋁容易形成鋁支晶導(dǎo)致循環(huán)充放電性能不佳，過分的依賴于熔鹽的組成。熔鹽電解質(zhì)需要高溫或?qū)Νh(huán)境要求苛刻，且成本較高難于維護(hù)，限制了鋁二次電池的發(fā)展。

除此之外，還有其他鋁電池，包括AL/AgO、AL/MnO2、Al/H2O2、Al/S、AL/MnO4、AL/Ni、AI/KFe(CN)6等。

2015年4月6日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物《Nature》在線發(fā)表了魯兵安(四位共同第一作者之一)的論文《快速充放電鋁離子電池》。魯兵安等人用石墨作為正極材料，并用一種相當(dāng)于鹽溶液的離子液體作為電解液，從而解決了鋁電池研究在材料上的瓶頸問題。過去在iphone等使用鋰電池的手機(jī)上，需要1個(gè)小時(shí)才能完成的充電量，在該鋁電池上1分鐘即可完成。