金屬鋁燃料電池中鋁電極易腐蝕析氫氣、鋁表面氧化膜使得鋁的電化學活性受到抑制以極昂貴的電催化劑也制約著其走向市場

06-15

金屬鋁燃料電池以具有高能量密度的鋁合金做燃料，直接將金屬鋁中蘊藏的化學能轉變成電能。金屬鋁理論比能量可達到4050Wh/Kg，製成電池後實際比能量也可達到350 Wh/Kg，是鋰離子電池(150Wh/Kg)的2倍多。鋁燃料電池做手機電池，待機時間超過60天；做電動汽車電源，在相同的發動機重量下，補充一次燃料可以行駛1600Km。

作為一種特殊的燃料電池,金屬鋁電池已被證實具有在軍事、民用、以及水底動力系統、電信系統後備動力源和攜帶型電源等應用方面的商業可行性。作為水下探索的動力系統，鋁燃料電池可以提供比鎳-鎘電池大十倍的電力，並極大地減少充電所耗時間。與內燃機和普通的電池相比,金屬鋁燃料電池具有更大的能量密度和更高的能量效率，不存在環境污染，燃料儲存極其安全，成本十分低廉，再充電只需更換金屬燃料（僅需幾分鐘），是目前最有發展前途的電源，將成為近期實用化的高能電池技術。

金屬鋁燃料電池由陽極鋁合金、石墨空氣陰極和電解液組成，通過鋁的「燃燒」產生電能。鋁作為電池的燃料，空氣中的氧氣則是助燃劑，金屬鋁與空氣中的氧氣之間發生電化學反應產生電流，電極反應生成的Al(OH)4-1，由流動的電解液帶走，電池採用機械充電方式，通過置換鋁板與添加電解液的方式進行充電。

金屬鋁燃料電池中鋁電極易腐蝕析氫氣、鋁表面氧化膜使得鋁的電化學活性受到抑制以極昂貴的電催化劑也制約著其走向市場。因而，金屬鋁燃料電池的研究主要是圍繞著陽極配方、陰極製備、催化劑研究、電解液添加劑和電池結構設計以及機理方面進行，以消除鋁電池的應用瓶頸。

金屬鋁燃料電池具有原料豐富、成本低、無毒害、功率密度高、能量密度高等較優的電化學性能，在電動車、電動工具、航天電池、海洋船舶動力、城市動力電源、工廠備用電源等方面均有應用。無論從民用還是從軍用角度看，金屬鋁燃料電池都具有巨大的發展潛力和很好的產業化前景。

中國化學與物理電源學術年會論文集燃料電池Ｅ

高能金屬鋁燃料電池的研究

唐有根，盧凌彬

（中南大學化學電源與材料研究所，湖南長沙，４１００８３）

金屬鋁燃料電池以具有高能量密度的鋁合金做燃料，直接將金屬鋁中蘊藏的化學能轉變成電能。金屬鋁理論比能量可達到４０５０Ｗｈ／Ｋｇ，製成電池後實際比能量也可達到３５０Ｗｈ／Ｋｇ，是鋰離子電池（１５０Ｗｈ／Ｋｇ）的２倍多。鋁燃料電池做手機電池，待機時間超過６０天；做電動汽車電源，在相同的發動機重量下，補充一次燃料可以行駛１６００Ｋｍ。金屬鋁燃料電池發電效率高，不存在環境污染，燃料儲存極其安全，成本十分低廉，再充電只需更換金屬燃料（僅需幾分鐘），是目前最有發展前途的電源，將成為近期實用化的高能電池技術。

金屬鋁燃料電池由陽極鋁合金、石墨空氣陰極和電解液組成，通過鋁的「燃燒」產生電能。鋁作為電池的燃料，空氣中的氧氣則是助燃劑，金屬鋁與空氣中的氧氣之間發生電化學反應產生電流，電極反應生成的Ａ１（ＯＨ）４－Ｉ＇由流動的電解液帶走，電池採用機械充電方式，通過置換鋁板與添加電解液的方式進行充電。

由於鋁在電解液中的腐蝕速度太快，產生大量的氫氣，導致陽極的法拉第效率極低；同時鋁表面所覆蓋的氧化膜，致使鋁陽極過電位升高，降低了陽極的電壓效率，所以往往需要加入其它的元素進行改性。通常在鋁合金加入能降低氧化膜電阻，形成低共熔體合金，並且具有高氫超電位的金屬元素。鎵、銦是提高鋁合金電化學性能最重要的元素，而鉛、鉍、錫、鋅、鎂、鎘等也可提高材料綜合性能，錳可以與鐵形成ＦｅＭｎＡＩ；，從而抑制Ｆｅ對鋁陽極庫侖效率的降低。以Ａｌ—Ｇａ、Ａ１一Ｉｎ、Ａ１一Ｇａ—Ｉｎ合金為基質，再輔以鉛、鉍、錫、鋅、鎂、鎘、鐵等元素可以製成系列陽極材料。加拿大鋁業公司ＥＬＴＥＣＨ已研製了幾種不同成分的具有高功率密度和高能最產出的鋁合金。此外，鋁陽極的形狀對電池性能也有一定影響，適宜的電極形狀可以減小鋁電極的腐蝕率，增大電池功率和放電密度。

金屬鋁燃料電池的核心是空氣電極。空氣陰極主要包含載體、催化劑、透氣膜等。金屬鋁燃料電池中存在的一些主要問題都與空氣電極有關，高效空氣電極的開發將會使電池功率得到極大提高。在金屬鋁燃料電池的價格中貴金屬催化劑佔了很大一部分，尋找廉價高效的催化劑以替代傳統的貴金屬催化劑是使金屬鋁燃料電池走向商業化、實用化的關鍵。目前已發現金屬化石墨，大環化合物，金屬氧化物，摻雜電極等廉價的催化劑也能起到促使氧氣還原的催化作用。

金屬鋁燃料電池的電解液可以是中性鹽溶液，也可以是鹼性溶液。但由於在鹽溶液中電池放電產物會成凝膠狀，增大電池電阻，降低電池效率，而在鹼液中則不會出現這種情況，所以從電池效率上來講，使用鹼溶液要比使用鹽溶液好。但對於海用電池，使用鹽溶液也有其優勢。電解液除了支持電池反應外，還有一個重要的作用是溶下電極上的電解產物，使電解產物能隨電解液移出電池。如果電極上附著電解產物，將會增大電池內阻，降低電池效率，一個好的高效的電池體系必須有一個有效的電解液處理系統。因此，電解液的組成對金屬鋁燃料電池的性能有重要影響。

金屬鋁燃料電池具有原料豐富、成本低、無毒害、功率密度高、能量密度高等較優的電化學性能，在電動車、電動工具、航天電池、海洋船舶動力、城市動力電源、工廠備用電源等方面均有應用。無論從民用還是從軍用角度看，此類電池都具有巨大的發展潛力和很好的產業化前景。