鋁空氣動力電池的發(fā)展進度和介紹
一、鋁空氣動力電池研究取得新進展
鋁空氣電池的構成和特點。鋁空氣電池是以鋁合金為負極、空氣電極正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質構成的一種高能量化學電源，屬于半燃料電池。鋁空氣電池的理論能量密度可以達到2290Wh/kg，已規(guī)模應用的產品能量密度為300-400Wh/kg，遠高于主流鋰離子電池芯150-240Wh/kg 的能量密度。鋁空氣電池產生電能消耗鋁、氧氣和水，原料來源豐富，工作過程不產生有毒有害氣體，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3-4年。鋁空氣電池可以分為一次電池和通過更換鋁負極方式實現(xiàn)機械可充的二次電池。
國外研究進展較快，應用水平不斷提高。美國、加拿大、以色列等國均在大力開發(fā)鋁空氣電池作為動力電源，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院和美國電技術研究公司分別研制出了中性和堿性鋁空氣電池，通過補充一次鋁電極可以供電動車運行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多輛電動車試運行;
美國于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，電池組容量可以達到5000Ah以上;美國勞倫斯-利弗莫國家實驗室(LLNL在美國能源部的資助下開展了替代內燃機的金屬空氣電池研究，其與陶氏化學等公司聯(lián)合成立的Voltek 公司開發(fā)出了世界上第一個可快速更換鋁合金負極的實用型動力鋁空氣電池系統(tǒng)，根據(jù)裝車試驗結果改進后的電池組效率由65%提高到90%以上;2014 年以色列Phinergy 公司和美國鋁業(yè)公司在鋁空氣電池小型化研發(fā)方面取得進展，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動力電源仍有差距
鋁空氣動力電池是動力電源的潛在競爭者。當前動力電池是制約電動汽車發(fā)展的主要因素，提高電池的能量密度成為動力電池的重點突破方向之一。從能量密度、充電速度、成本以及環(huán)保方面綜合評價，鋁空氣電池較鎳氫電池、鋰離子電池具有明顯的優(yōu)勢，成為電動汽車電源的有力競爭者。一是目前規(guī)模生產的鋁空氣電池能量密度已經達到300-400Wh/kg，相同重量的鋁空氣電池可以使電動汽車行駛更多里程;二是采用機械式“充電”的鋁空氣電池，僅需幾分鐘可完成鋁合金電極的更換，恢復充滿狀態(tài)，遠高于電化學充電的速度;三是鋁材料豐富、價格低，電極利用率可以達到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汽車的應用。
鋁空氣電池雖然在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢，但其能達到的最高功率密度僅為200W/kg，與鋰離子動力電池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，僅能滿足當前市場上在售極少數(shù)小型低功率電動汽車對電池組的要求，絕大多數(shù)在售純電動汽車若單獨使用鋁空氣電池，則較難滿足駕駛者對最高車速和加速性能的要求，如需獲得鋰離子動力電池同樣的功率，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)或將成為加速鋁空氣電池應用的有效解決方案。由于鋁空氣電池存在功率密度低的問題，鋰離子電池的能量密度還需要相對較長的時間突破，鋁空氣電池和鋰離子電池組成的混合電源系統(tǒng)有望成為當前電動汽車兼顧加速性能和提高續(xù)航里程的優(yōu)選應用解決方案，并將加速鋁空氣電池在純電動汽車的應用。2010 年特斯拉對類似方案的研究已經取得進展，并申請了“電動汽車增程混合動力電池組系統(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，其混合動力系統(tǒng)是從電到電的方式，工作時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、可以存儲較多電能的優(yōu)勢為鋰離子電池組提供電能，最終實現(xiàn)提高續(xù)航里程的目的。
三、我國需跟進研究鋁空氣電池技術
緊跟技術發(fā)展新動向，著力突破關鍵材料、零部件和工藝技術。依托“工業(yè)強基專項行動”，發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，圍繞“應用牽引、平臺支撐、重點突破”的發(fā)展思路，扶持在鋁空氣電池領域具有基礎優(yōu)勢的企業(yè)、科研機構緊跟鋁空氣動力電池技術發(fā)展新趨勢，重點突破鋁合金電極和銀基催化劑等關鍵材料，鋁空氣電池電源管理系統(tǒng)等關鍵零部件，高利用率鋁合金電極生產工藝技術和成組鋁空氣電池組電極快速更換技術等關鍵技術。
支持協(xié)同創(chuàng)新，夯實新型動力電池發(fā)展基礎。支持建立產、學、研、用多主體共同持股的電動汽車動力電池研究機構，以新型動力電池工程化應用研究為要務，以推動產業(yè)化應用為目的，發(fā)揮市場競爭和市場調節(jié)的作用，以市場化運營模式加強新型動力電池核心技術，多類型電池混合電源管理系統(tǒng)、動力電池模塊等關鍵零部件，相關產品和標準的研發(fā)投入和協(xié)同創(chuàng)新，建立標準化的動力電池產品和零部件體系，形成“技術成果有償開放使用、共建方按股權分配經營收益”的良性發(fā)展機制，逐步構建穩(wěn)固的新型動力電池發(fā)展基礎。
開展國際合作，加快引進鋁空氣電池先進技術。鼓勵企業(yè)開展國際合作，依托我國巨大的市場需求優(yōu)勢，與以色列Phinergy公司、美國鋁業(yè)公司等擁有先進鋁空氣動力電池技術的企業(yè)開展合作，成立合資企業(yè)或引進先進技術，充分利用合資合作產生的技術外溢，帶動鋁空氣動力電池自主創(chuàng)新發(fā)展;鼓勵有條件的企業(yè)實施“走出去”戰(zhàn)略，支持企業(yè)通過海外并購獲取鋁空氣動力電池核心技術。
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