在1990年前后铝—空气电池的设计应用.doc

在1990年前后铝空气电池的设计应用铝空气电池早在1990年之前，全世界就有不少国家研究铝空气电池，应用于武装部队、外层空间、水下深潜设备等。当时，锂电池还没有诞生。在锂电池普及的现在，由于锂电池与铝空气电池相比通用性大大提高，铝空气电池在80%以上的领域已经失去优势。但是它在个别领域的价值仍然存在。铝空气电池研究发展动向国内外铝空气电池开发情况铝一空气电池的设计和应用作为备用电源作为备用电源的铝一空气电池一般与传统的二次备用电源和DCDC转换器联用，以便提供高效的长期或短期用能量包(RPU)。RPU首先在通讯及其相关领域得到应用。发电机组启动时的不稳定性以及铅蓄电池所需的庞大体积和质量使得RIU这种性能稳定、维护成本低廉的电源颇具吸引力，外加其运行时低噪音、低消耗、无污染、无废气产生等特点，山村和边远地区通讯设备制造厂家对其非常关注。英国、加拿大、法国、意大利等电信公司均正在使用或提供资金研制铝一空气电池。此种电源包的问题在于随着放电深度的增加，其启动时间也会随之延长，原因在于随着放电深度的增加，电解质的电导率下降，电压及其功率输出随之下降，使得RPU花费较长的时间达到操作温度(60)，这直接影响了达到设备正常运行功率所需要的时间。另外一个原因在于，随着放电深度的增加，碳酸盐、铝酸盐、氢氧化铝胶体等反应产物堵塞了阴极材料孔隙，这些产物的移除跟电解质浓度和反应温度相关。这种缺陷可以通过放电过程中使用特殊装置对正极材料进行不断冲刷而改进。铝一空气电池包括上部的电堆和下部的电解液池(不使用时电解液不进入电堆内)，以及泵送电解液冷却和电池空气循环的辅助系统。电池工作时，泵送电解液流经正负极间的空隙到达各单电池顶端的堰并由各支路回到电解液池，一部分电解液经过热交换器(冷源是冷却风扇提供的空气流)进行温度控制。鼓风机使反应所需的空气依次流经电解液池周围的空间、过滤器、阴极表面，然后排出整个系统。电解液是含有锡酸盐添加剂的8molL KOH溶液。在电池放电期间电解质中铝酸钾逐渐饱和，接着达到过饱和，最后电解质电导率降低，导致电池无法使负载正常工作，基于总电解质体积的电池容量便到了终点。此时更换电解质，电池又可以继续放电直至铝负极耗尽。一种1200W的铝一空气电池在电解质容量模式下，电池总的放电时间36h，而在更换一次电解质且铝负极耗尽的模式下，电池总的放电时间是48 h，体积比能量和质量比能量分别超过了150WhL和250Whkg。作为便携电源便携式铝一空气电池所用电解液有中性的也有碱性的，一般情况下，它们被制备成贮备电池并且通过注入电解质来激活。功率从300W到3000W，工作时间在8h到300h的铝空气电池在军事便携电源上应用较为广泛。一次铝一空气电池尤其适用于特殊的侦察设备和现代战争所用的小型、隐蔽设备。一般，士兵们所用的这些设备功率不同，工作时间在两个星期以上。针对这些应用，Alupower公司设计了一系列的产品，其中300W12V，工作时间12h的电池组质量能量密度达到200Whkg，体积能量密度达到135WhL。一种中性电解质铝一空电池作为CdNi电池的再充电电源被设计，携带能量600Wh，电压6V，上面同时装备CdNi电池均匀化管理器。Cd-Ni电池能量用尽一般只需45h就需再充电，铝一空气电池可以同时为7套这样的电池充电。20世纪90年代，开发了新型战场便携电源，额定功率3kWh，电位12V或者24V，外形尺寸大约13.711.440.6(cm)，激活后重量5.kg(包括配套CdNi电池重量)。体积能量密度是当时使用的NiCd电池的28倍，质量能量密度为原来的14倍左右，因此，单个战备电源铝一空气电池相当于LiS02电源包的3倍，CdNi电池或铅蓄电池的915倍。在1992年的国际能源会议上提出的一种为人造卫星通讯提供电源的便携式碱性铝一空气自备电池组，通过抽空液囊使液体到达电池顶端进行激活。该电池的特点是在一40条件下，半小时之内即可实现冷启动，输出能量超过400W，重量比能量达到435Whkg。作为电动车电源电动车电源铝一空气电池由于功率需求较高，主要为碱性动力电池组，它驱动车辆的能量效率是内燃机的150，加拿大电动车的16个铅蓄电池已有8个被铝一空气电池取代，取代后的电池重量减少了20，能量容量由125 kWh增加至1130kWh，为原容量的2.5倍，电动车行程可增加3倍，4天的行程为168km，从电池到驱动发动机的净能量转换效率达83，按电池的总重量算，能量密度达到350Whkg，其最新研究成果已将电池寿命延长至原先的10倍，使电池机械充电次数由200次提高到3000次。美国电技术研究公司1988年在小汽车上成功应用了铝一空电池，该公司制备的单体电池电压为1.15V，峰值功率为440W，10个单体电池形成4.4kW的电池组，成功驱动小车。铝空电池的发展将会大大促进电动车产业的发展。作为水下电源利用海水中溶解氧的铝空气电池具有一个明显的优点，就是除负极材料铝以外的所有反应物全部来源于海水。这种电池的正极位于负极的周围，并敞开于海水中，因此其反应产物能够直接排人海洋。由于海水中没有足够的氧，所以电极面积也相应较大。此外，由于海水的电导率较低，电池组的设计通常不采用串连方式，而采用DCDC转换器获得较高的电压。为了增大反应面积，有的电池做成了电缆形状，以铝芯作阳极，外层为阴极，使用时放置在海水中。据报道，一种直径3cm的电缆铝空气电池可长达数百米，每米重量1kg，质量比能量640Whkg，可在水下使用半年之久。主要结构是：1一铝阳极；2一隔离物；3一氧阴极；4一多孔透水的外保护层。铝一空气电池已成为无人水下航行器(uuv)和自主水下航行器(AUV)的理想电源。挪威采用A1HP(双氧水)电池，携带能量分别增加到45kWh和60kWh，续航能力达到60h。而两种都采取了相似的电源设计，区别是后者提供的能量更大。电源设计叙述：动力源采用A1HP(双氧水)电池，它为无人潜水器在水下3000m提供足够的动力使其在4节的航速下航行超过50h，总能量达到了50kWh。该电池以铝为阳极反应物，以添加在电解液中的过氧化氢(H202)为阴极反应物，主要包括以下部分：6个串连的电池模块组成的电池本体，排气装置，电液循环系统，两个HP贮槽，电池控制单元，DCDC转换器(输出30V，1200W)CdNi缓冲电池。其中阴极采用和HUGIN II相似的瓶刷状炭电极，每两列碳电极中间排列28个铝阳极。这种瓶刷状的碳电极使电池在很低的HP浓度下即可正常运行，从而使铝阳极的腐蚀和氧的损耗大大降低。由于电解液的更换和HP的再充满都非常的迅速，而阳极的更换相对要耗时一些，大约需花费45h，因此，铝阳极的设计容量一般为两次下潜所需约100h，而电解液和HP的量为一次下潜任务所需约50h因此，它典型的工作方式是下潜2-3次之后，再进行铝阳极的更换和液体的再充，而中间则只需要更换电解液和补充HP。按现有水平，此电池在中性浮力下的比能量密度和在充换HP及电解液的速率方面都是很独特的。按现有铝量，只需要增加电解液和HP的量就可以提高AUV一次任务所需的能量。铝一氧电池设计模式，包括6个主要的系统：电堆系统、电解质控制系统(由泵将KOH溶液打入电池)、氧贮存和供应系统、氢气管理系统、热管理系统、电子控制单元。另外当时（1993年）加拿大已经发展并测试了用于水下航行器的铝半燃料电池。为XP一21设计的铝一空电池，装配于壳体上，长224m，重400kg，携带能量100kWh。由两组76个单体电池组成的电堆并联而成，放电电压在90120V，其设计允许铝酸盐完全沉淀至电解质容量放完，使得体积比能达到260WhL，功率2kW。氧气贮存于4000 Pa(272.18atm)的不锈钢球形容器里，放电期间有少量的氢气释放，少量的氧气被用于和氢气化合成水。1994年6月（当时全世界还没有任何一家宣布研制成功锂电池），使用铝一双氧水高能量密度电源的UUV进行了海试。被测试的航行器为ARCS，为加拿大太平洋防御研究组织设计。电源由加拿大某公司在国防部的支持下研究成功。此铝空电池可以产生1.7kW净功率，推动航行器在水下以3节的速率航行27h。航行器的性能由水面检测，随时记录。演示获得了44kWh的电池能量，任务寿命是原先使用的CdNi电池的5倍。电源使用50的双氧水作为氧源，利用泵来供应电解质。关于铝空气电池的印象：铝一空气金属半燃料电池作为一种高性能