鋁空氣動(dòng)力電池的發(fā)展進(jìn)度和介紹
一、鋁空氣動(dòng)力電池研究取得新進(jìn)展
鋁空氣電池的構(gòu)成和特點(diǎn)。鋁空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電極正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(zhì)構(gòu)成的一種高能量化學(xué)電源，屬于半燃料電池。鋁空氣電池的理論能量密度可以達(dá)到2290Wh/kg，已規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品能量密度為300-400Wh/kg，遠(yuǎn)高于主流鋰離子電池芯150-240Wh/kg 的能量密度。鋁空氣電池產(chǎn)生電能消耗鋁、氧氣和水，原料來(lái)源豐富，工作過(guò)程不產(chǎn)生有毒有害氣體，生成的氫氧化鋁可以電解再生或可作為污水處理的沉淀劑使用，電池使用壽命一般可達(dá)3-4年。鋁空氣電池可以分為一次電池和通過(guò)更換鋁負(fù)極方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械可充的二次電池。
國(guó)外研究進(jìn)展較快，應(yīng)用水平不斷提高。美國(guó)、加拿大、以色列等國(guó)均在大力開發(fā)鋁空氣電池作為動(dòng)力電源，提高鋁的利用率，降低空氣電極的催化劑成本，增加循環(huán)壽命。1980年代末期，前南斯拉夫貝爾格萊德冶金學(xué)院和美國(guó)電技術(shù)研究公司分別研制出了中性和堿性鋁空氣電池，通過(guò)補(bǔ)充一次鋁電極可以供電動(dòng)車運(yùn)行1600km;1990年代，加拿大鋁業(yè)公司推出了能量密度為220Wh/kg 的鋁空氣電池，并裝備了4000多輛電動(dòng)車試運(yùn)行;
美國(guó)于1994年推出了能量比300Wh/kg的鋁空氣電池，并突破了集成化技術(shù)，電池組容量可以達(dá)到5000Ah以上;美國(guó)勞倫斯-利弗莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL在美國(guó)能源部的資助下開展了替代內(nèi)燃機(jī)的金屬空氣電池研究，其與陶氏化學(xué)等公司聯(lián)合成立的Voltek 公司開發(fā)出了世界上第一個(gè)可快速更換鋁合金負(fù)極的實(shí)用型動(dòng)力鋁空氣電池系統(tǒng)，根據(jù)裝車試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)后的電池組效率由65%提高到90%以上;2014 年以色列Phinergy 公司和美國(guó)鋁業(yè)公司在鋁空氣電池小型化研發(fā)方面取得進(jìn)展，安裝兩家公司合作研發(fā)的能量密度為300Wh/kg.
二、鋁空氣電池成為主導(dǎo)動(dòng)力電源仍有差距
鋁空氣動(dòng)力電池是動(dòng)力電源的潛在競(jìng)爭(zhēng)者。當(dāng)前動(dòng)力電池是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素，提高電池的能量密度成為動(dòng)力電池的重點(diǎn)突破方向之一。從能量密度、充電速度、成本以及環(huán)保方面綜合評(píng)價(jià)，鋁空氣電池較鎳氫電池、鋰離子電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為電動(dòng)汽車電源的有力競(jìng)爭(zhēng)者。一是目前規(guī)模生產(chǎn)的鋁空氣電池能量密度已經(jīng)達(dá)到300-400Wh/kg，相同重量的鋁空氣電池可以使電動(dòng)汽車行駛更多里程;二是采用機(jī)械式“充電”的鋁空氣電池，僅需幾分鐘可完成鋁合金電極的更換，恢復(fù)充滿狀態(tài)，遠(yuǎn)高于電化學(xué)充電的速度;三是鋁材料豐富、價(jià)格低，電極利用率可以達(dá)到90%以上，使得鋁空氣電池的成本大幅下降。功率密度和重量制約鋁空氣電池在高功率電動(dòng)汽車的應(yīng)用。
鋁空氣電池雖然在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其能達(dá)到的最高功率密度僅為200W/kg，與鋰離子動(dòng)力電池300-800W/kg 的功率密度有較大差距，100kg 鋁空氣電池能提供的最高功率為20kw，僅能滿足當(dāng)前市場(chǎng)上在售極少數(shù)小型低功率電動(dòng)汽車對(duì)電池組的要求，絕大多數(shù)在售純電動(dòng)汽車若單獨(dú)使用鋁空氣電池，則較難滿足駕駛者對(duì)最高車速和加速性能的要求，如需獲得鋰離子動(dòng)力電池同樣的功率，鋁空氣電池組的重量大約是鋰離子電池組的4倍甚至更高。
混合電源系統(tǒng)或?qū)⒊蔀榧铀黉X空氣電池應(yīng)用的有效解決方案。由于鋁空氣電池存在功率密度低的問(wèn)題，鋰離子電池的能量密度還需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間突破，鋁空氣電池和鋰離子電池組成的混合電源系統(tǒng)有望成為當(dāng)前電動(dòng)汽車兼顧加速性能和提高續(xù)航里程的優(yōu)選應(yīng)用解決方案，并將加速鋁空氣電池在純電動(dòng)汽車的應(yīng)用。2010 年特斯拉對(duì)類似方案的研究已經(jīng)取得進(jìn)展，并申請(qǐng)了“電動(dòng)汽車增程混合動(dòng)力電池組系統(tǒng)”的專利，專利電池組使用鋰離子和金屬空氣兩種類型的電池，其混合動(dòng)力系統(tǒng)是從電到電的方式，工作時(shí)鋰離子電池組直接給車供電，金屬空氣電池組發(fā)揮能量密度高、可以存儲(chǔ)較多電能的優(yōu)勢(shì)為鋰離子電池組提供電能，最終實(shí)現(xiàn)提高續(xù)航里程的目的。
三、我國(guó)需跟進(jìn)研究鋁空氣電池技術(shù)
緊跟技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向，著力突破關(guān)鍵材料、零部件和工藝技術(shù)。依托“工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)行動(dòng)”，發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用，圍繞“應(yīng)用牽引、平臺(tái)支撐、重點(diǎn)突破”的發(fā)展思路，扶持在鋁空氣電池領(lǐng)域具有基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)緊跟鋁空氣動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)，重點(diǎn)突破鋁合金電極和銀基催化劑等關(guān)鍵材料，鋁空氣電池電源管理系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件，高利用率鋁合金電極生產(chǎn)工藝技術(shù)和成組鋁空氣電池組電極快速更換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
支持協(xié)同創(chuàng)新，夯實(shí)新型動(dòng)力電池發(fā)展基礎(chǔ)。支持建立產(chǎn)、學(xué)、研、用多主體共同持股的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池研究機(jī)構(gòu)，以新型動(dòng)力電池工程化應(yīng)用研究為要?jiǎng)?wù)，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為目的，發(fā)揮市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)調(diào)節(jié)的作用，以市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)模式加強(qiáng)新型動(dòng)力電池核心技術(shù)，多類型電池混合電源管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池模塊等關(guān)鍵零部件，相關(guān)產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)投入和協(xié)同創(chuàng)新，建立標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)力電池產(chǎn)品和零部件體系，形成“技術(shù)成果有償開放使用、共建方按股權(quán)分配經(jīng)營(yíng)收益”的良性發(fā)展機(jī)制，逐步構(gòu)建穩(wěn)固的新型動(dòng)力電池發(fā)展基礎(chǔ)。
開展國(guó)際合作，加快引進(jìn)鋁空氣電池先進(jìn)技術(shù)。鼓勵(lì)企業(yè)開展國(guó)際合作，依托我國(guó)巨大的市場(chǎng)需求優(yōu)勢(shì)，與以色列Phinergy公司、美國(guó)鋁業(yè)公司等擁有先進(jìn)鋁空氣動(dòng)力電池技術(shù)的企業(yè)開展合作，成立合資企業(yè)或引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，充分利用合資合作產(chǎn)生的技術(shù)外溢，帶動(dòng)鋁空氣動(dòng)力電池自主創(chuàng)新發(fā)展;鼓勵(lì)有條件的企業(yè)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，支持企業(yè)通過(guò)海外并購(gòu)獲取鋁空氣動(dòng)力電池核心技術(shù)。
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