铝空气电池发展状况及相关建议.docx

化解电解铝产能过剩的新路径汽车用铝空气电池 摘要汽车用铝空气电池的产业化为铝的应用开辟了一个新的领域，其本身具有的比能量高、生产成本低等特点能够很好的解决当前电动汽车续航里程低、充电不方便、生产成本高等问题，具有巨大的市场空间。2014年6月，美铝与以色列Phinergy公司联合开发的续航能力达到1600公里的汽车用铝空气电池进行了试车，比较好的解决了当前电动汽车续航里程低、充电不方便、成本高等主要问题，这一成果将大幅增加铝的消费量，引起了铝行业、电动汽车行业的广泛关注。按中国汽车销量及运行里程测算，我国铝空气电池可年增铝消费约995万吨，占2013年全国铝消费量的40%，对我国化解电解铝产能过剩有重大意义。一、铝空气电池技术概况（一）基本原理与构造 铝空气电池以空气中的氧为正极活性物质,铝或铝合金为负极活性物质, 以氢氧化钠水溶液等为电解质，空气中的氧气通过电池两侧的空气电极到达电化学反应界面,与铝反应放出电能。单体铝空气电池构造以铝为负极，以电池两侧的辅助空气电极为正极，工作时主要消耗铝和少量的水。铝空气电池也能够以若干单体电池构成的电池组形式进行供电。（二）技术发展状况当前，铝空气电池技术路线基本都已走通，只是在每度电铝材消耗、实际比能量、比功率等技术指标方面存在一定的差异。国内从事相关技术研究的单位主要有中科院过程工程研究所、大连物理化学研究所、船舶重工712所、德阳东深新能源科技公司等单位以及相关大学院校等，并且已经分别完成符合自身科研需要的原理机，功率型号分别有1kW、5kW、50kW、100kW等。同时，据相关报道，国内已有学术研究机构与企业合作推出了电动车铝空气电池，能量密度达到350Wh/kg以上，电池实现了集成化，容量达到5000Ah以上，可进行商业化应用。此外，铝空气电池在国防军事领域，以及一些特殊环境下的移动电源、备用电源领域等，已经进行了小规模产业化，但总体需求较小。国外以色列Phinergy公司在空气电池方面具有一定的专长，于2013年6月宣布研发出了电动汽车专用的铝空气电池，充电一次可使电动汽车行驶历程达到1600公里。此款电池的阳极由50块铝板组成(总重25千克)，每一块铝板所提供的能量可供电动汽车行驶32公里。2014年2月美铝与Phinergy公司就铝空气电池进一步研发问题签订了联合开发协议，并于6月前后在蒙特利尔一级方程式赛道上对铝空气电池电动汽车进行了试驾，计划于2017年实现电动汽车专用铝空气电池的批量生产。二、铝空气电池在汽车领域的应用前景及面临的问题铝空气电池具备比能量大、成本较低、更换方便、绿色环保等特点，在电动汽车领域有着较好的应用前景。（一）铝空气电池在应用于汽车领域的优势1.运行成本与燃油汽车成本相当铝空气电池电动汽车百公里约消耗3公斤铝、5升水，按15000元/吨铝价及3000元铝加工费计算，铝耗成本为54元，电解液成本按1元/升计，则铝空气电池汽车每百公里铝耗及成本约为59元；一般小型燃油汽车百公里油耗约为8升，按当前每升汽油7.63元计算，每百公里运行成本约为61元。2.续航能力高于锂离子电池电动汽车铝空气电池实际比能量可达到350-500Wh/kg，约是锂离子电池120-150Wh/kg的3倍，即同样质量情况下，铝空气电池携带电量可达到锂离子电池的3倍，续航里程相应3倍于锂离子电池汽车。以北汽生产的E150纯电动汽车为例，其锂离子电池携带电量26kWh，若将其更换为同样质量的铝空气电池，则可携带电量78kWh，续航里程可达到390公里，与燃油汽车续航里程相当。3.制造铝空气电池成本较低当前主要采用能够储存单位电量电池的成本（制造电池成本除以电池能够储存的电量）来衡量制造不同类型电池成本的高低。根据相关信息，制造铝空气电池的成本约为500元/kWh，即制造能够储存1kWh电量的铝空气电池需要500元的成本，是制造锂离子电池成本4000元/kWh的1/8。金属空气电池与现有动力电池的比较电池类型重量能量密度(Wh/kg)体积能量密度(Wh/l)功率密度(W/kg)循环寿命(次)成本(元/Wh)铅酸电池30-40120200-4005000.7 镍镉电池50-60110200-40010002.5 镍氢电池80-90150-200400-120010004.0 锂离子电池120-150210400-100010004.0 铝空气电池350-500600100-20010000.5 4.铝空气电池更换方便铝空气电池放电时主要消耗的是铝及水，铝空气电池在电动汽车领域应用时，运行过程中只需更换铝板，并添加适量水，操作简单，从操作时间和简易程度上能够达到燃油汽车加油同样的效果，比蓄电池充电节约大量时间。5.电池绿色环保铝空气电池运行期间主要副产物是氢氧化铝（氧化铝），对环境无害，且利于循环利用，据相关机构估算，其循环利用成本低于10元/kg。较之目前燃油汽车的废气污染、锂离子电池汽车的重金属污染等，具有环境友好特点。（二）汽车用铝空气电池产业化存在的主要问题1.铝空气电池产业化技术存在优化空间一是铝空气电池应用时需要依据电动汽车的运行环境，建立复杂的电源管理系统；二是电池放电过程中会产生偏铝酸盐，在产业化生产及应用中应优化其消除工艺；三是铝空气电池比功率较小、电压滞后，其产业化应用需要进一步优化。2.铝空气电池科研机构产业化动力较小目前开展铝空气电池研究的主要是科研院所及大学等机构，其研究目的在于技术路线的走通，完成科研项目目标，对于技术路线走通之后的技术指标优化、大规模生产等产业化问题缺乏研究积极性。3.铝空气电池成本方面的问题科研试验过程中使用的铝空气电池，电池放电时，每产生一度电的铝消耗指标较高（500-700g），需要进一步优化并稳定在150g左右。同时，铝空气电池运行过程中的主要耗材铝，市场价格波动较大，不利于铝空气电池的成本控制。三、汽车用铝空气电池显著增加铝消费量，对化解产能过剩具有重大意义铝空气电池对化解铝产能过剩的作用主要体现在汽车运行过程中对铝的消耗方面，按照我国目前的汽车产量和汽车保有量，汽车运行通过铝空气电池对铝的潜在市场需求是巨大的。根据相关信息，目前普通小型汽车（自重约1.3吨）运行100公里需要消耗约3公斤铝，按照每辆车每年运行15000公里估算，每辆车每年通过铝空气电池对铝形成的潜在需求约450公斤。据统计，我国2013年汽车产量为2211.68万辆，汽车用铝空气电池若能够实现产业化，并对每年的汽车生产量实现100%能源替代，则年新增汽车量通过铝空气电池产生的铝的需求量为995.3万吨，约占2013年国内铝消费量2480万吨的40%。同时，从国内汽车存量角度看，2013年我国汽车保有量已达1.37亿辆，汽车用铝空气电池若经过几年后实现对燃油能源的完全替代，则1.37亿辆汽车保有量的整体市场规模将通过铝空气电池对铝形成每年约6165万吨的市场需求，是2013年我国铝消费量的2.5倍。2013年我国汽车产量、保有量通过铝空气电池对铝形成的潜在需求类别数量（万辆）潜在需求（万吨）占当年铝消费量比例备注汽车产量2211.68995.340.1%每辆车每年运行里程按15000公里计算汽车保有量137006165248.6%可以看出，铝空气电池在电动汽车领域的产业化应用，将为铝的应用开辟新的市场空间，成为铝消费增长的主要发动机，并将使铝行业焕发新的市场活力，对化解我国电解铝产能过剩具有重大意义。四、结论与建议尽管铝空气电池在电动汽车中的实际应用，可能还有一些产业化问题需要攻克，但汽车用铝空气电池具有绿色环保、续航能力强、运行成本低等特点，市场开发前景良好，其研发成功将极大促进铝消费量，为整个铝行业的市场需求开辟一个新的巨大市场。