铝空气电池在新能源汽车的应用前景

 

加拿大国际铝业会议在蒙特利尔举行期间，以色列Phinergy公司和美国铝业公司（Alcoa）在维伦纽夫赛车场，对一台使用双方合作开发的铝空气电池的雪铁龙C1电动车进行了测试，续航里程是特斯拉ModelS电动汽车的两倍以上。铝空气电池的构成和特点怎样？在新能源汽车的应用前景究竟如何？我国发展新能源汽车能否采用？对此，我们进行了深入研究和剖析，以期对我国新能源汽车发展提供借鉴。

 

铝空气动力电池研究取得新进展

 

铝空气电池的构成和特点。铝空气电池是以铝合金为负极、空气电极正极、中性水溶液或碱性水溶液为电解质构成的一种高能量化学电源，属于半燃料电池。铝空气电池的理论能量密度可以达到2290Wh/kg，已规模应用的产品能量密度为300-400Wh/kg，远高于主流锂离子电池芯150-240Wh/kg的能量密度。铝空气电池产生电能消耗铝、氧气和水，原料来源丰富，工作过程不产生有毒有害气体，生成的氢氧化铝可以电解再生或可作为污水处理的沉淀剂使用，电池使用寿命一般可达3-4年。铝空气电池可以分为一次电池和通过更换铝负极方式实现机械可充的二次电池。

 

国外研究进展较快，应用水平不断提高。美国、加拿大、以色列等国均在大力开发铝空气电池作为动力电源，提高铝的利用率，降低空气电极的催化剂成本，增加循环寿命。1980年代末期，前南斯拉夫贝尔格莱德冶金学院和美国电技术研究公司分别研制出了中性和碱性铝空气电池，通过补充一次铝电极可以供电动车运行1600km；1990年代，加拿大铝业公司推出了能量密度为220Wh/kg的铝空气电池，并装备了4000多辆电动车试运行；

 

美国于1994年推出了能量比300Wh/kg的铝空气电池，并突破了集成化技术，电池组容量可以达到5000Ah以上；美国劳伦斯-利弗莫国家实验室（LLNL）在美国能源部的资助下开展了替代内燃机的金属空气电池研究，其与陶氏化学等公司联合成立的Voltek公司开发出了世界上第一个可快速更换铝合金负极的实用型动力铝空气电池系统，根据装车试验结果改进后的电池组效率由65%提高到90%以上；2014年以色列Phinergy公司和美国铝业公司在铝空气电池小型化研发方面取得进展，安装两家公司合作研发的能量密度为300Wh/kg、100kg重铝空气电池组的雪铁龙C1电动汽车续航里程可以达到1600km。

 

图为铝空气电池

 

铝空气电池成为主导动力电源仍有差距

 

铝空气动力电池是动力电源的潜在竞争者。当前动力电池是制约电动汽车发展的主要因素，提高电池的能量密度成为动力电池的重点突破方向之一。从能量密度、充电速度、成本以及环保方面综合评价，铝空气电池较镍氢电池、锂离子电池具有明显的优势，成为电动汽车电源的有力竞争者。一是目前规模生产的铝空气电池能量密度已经达到300-400Wh/kg，相同重量的铝空气电池可以使电动汽车行驶更多里程；二是采用机械式“充电”的铝空气电池，仅需几分钟可完成铝合金电极的更换，恢复充满状态，远高于电化学充电的速度；三是铝材料丰富、价格低，电极利用率可以达到90%以上，使得铝空气电池的成本大幅下降。功率密度和重量制约铝空气电池在高功率电动汽车的应用。

 

铝空气电池虽然在能量密度方面具有显著的优势，但其能达到的最高功率密度仅为200W/kg，与锂离子动力电池300-800W/kg的功率密度有较大差距，100kg铝空气电池能提供的最高功率为20kw，仅能满足当前市场上在售极少数小型低功率电动汽车对电池组的要求，绝大多数在售纯电动汽车若单独使用铝空气电池，则较难满足驾驶者对最高车速和加速性能的要求，如需获得锂离子动力电池同样的功率，铝空气电池组的重量大约是锂离子电池组的4倍甚至更高。

 

混合电源系统或将成为加速铝空气电池应用的有效解决方案。由于铝空气电池存在功率密度低的问题，锂离子电池的能量密度还需要相对较长的时间突破，铝空气电池和锂离子电池组成的混合电源系统有望成为当前电动汽车兼顾加速性能和提高续航里程的优选应用解决方案，并将加速铝空气电池在纯电动汽车的应用。2010年特斯拉对类似方案的研究已经取得进展，并申请了“电动汽车增程混合动力电池组系统”的专利，专利电池组使用锂离子和金属空气两种类型的电池，其混合动力系统是从电到电的方式，工作时锂离子电池组直接给车供电，金属空气电池组发挥能量密度高、可以存储较多电能的优势为锂离子电池组提供电能，最终实现提高续航里程的目的。

 

我国需跟进研究铝空气电池技术

 

紧跟技术发展新动向，着力突破关键材料、零部件和工艺技术。依托“工业强基专项行动”，发挥市场在资源配置中的决定性作用，围绕“应用牵引、平台支撑、重点突破”的发展思路，扶持在铝空气电池领域具有基础优势的企业、科研机构紧跟铝空气动力电池技术发展新趋势，重点突破铝合金电极和银基催化剂等关键材料，铝空气电池电源管理系统等关键零部件，高利用率铝合金电极生产工艺技术和成组铝空气电池组电极快速更换技术等关键技术。

 

支持协同创新，夯实新型动力电池发展基础。支持建立产、学、研、用多主体共同持股的电动汽车动力电池研究机构，以新型动力电池工程化应用研究为要务，以推动产业化应用为目的，发挥市场竞争和市场调节的作用，以市场化运营模式加强新型动力电池核心技术，多类型电池混合电源管理系统、动力电池模块等关键零部件，相关产品和标准的研发投入和协同创新，建立标准化的动力电池产品和零部件体系，形成“技术成果有偿开放使用、共建方按股权分配经营收益”的良性发展机制，逐步构建稳固的新型动力电池发展基础。

 

开展国际合作，加快引进铝空气电池先进技术。鼓励企业开展国际合作，依托我国巨大的市场需求优势，与以色列Phinergy公司、美国铝业公司等拥有先进铝空气动力电池技术的企业开展合作，成立合资企业或引进先进技术，充分利用合资合作产生的技术外溢，带动铝空气动力电池自主创新发展；鼓励有条件的企业实施“走出去”战略，支持企业通过海外并购获取铝空气动力电池核心技术。