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铝空气电池技术和应用前景分析
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铝空气电池是噱头？不靠谱动力电池盘点
自从特斯拉被热炒之后，几乎每隔一段时间就会冒出几篇高科技电池电动车的新闻。什么2015年投产的氢燃料电动车，能跑1600公里的铝电池电动车，一次充电跑600公里的液流电池车。
　　OFweek网讯：自从被热炒之后，几乎每隔一段时间就会冒出几篇高科技电池的新闻。什么2015年投产的氢燃料电动车，能跑1600公里的铝电池电动车，一次充电跑600公里的液流电池车&&　　似乎，我们现在用简直是太蠢了，新的能源革命早就应该到来了，但事实真的像新闻描述的那么美好吗？我们来看看真相。　　一、 电动车电池的真相　　电动车的核心技术是电池、电机、电控，然后就是传统汽车上的底盘技术之类的东西。其中电机技术现在已经比较成熟，电控随着摩尔定律也在不断进步，汽车底盘技术发展了这么多年，更不是瓶颈。　　电动车的核心问题就在电池上面。对于电动车来说，理想的电池应该有以下几个特性　　一、有足够能能量密度，单位体积单位重量要有足够的容量，这样才能跑更远的路程。　　二、有足够的功率密度，单位体积单位重量能产生足够大功率，这样车才能加速快，才能爬坡。　　三、能量补充速度要快，充电或者换电都要快，要不然就只能限定在城市通勤，白天跑路晚上充电的模式。　　四、平均使用成本要便宜，寿命和价格综合起来要有竞争力。　　现在已经上市的电动车，主要有两种电池，一种高速电动车的，包括磷酸铁锂、锰酸锂、三元锂电池等等。还有一种是低速电动车的铅酸电池。　　就电动车的要求要看，锂电池功率密度和能量密度都不错，但是充电没法快，价格也高昂。没有补贴支持的话，只能用于特斯拉这种高定位的车型。&&
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*验 证 码：0【导读】暂且不说一根根来自各种工厂的冒着各种颜色废气的大烟囱严重污染着我们人类赖以生存的空气，就各种能源消耗设备的发展所造成的化石能源的燃烧，不仅造成了能源危机，由此排放出的大量的温室气体二氧化碳更是造成了全球变暖，冰川融化，海平面上升，人类生存的陆地面积越来越少，各种自然灾害不断增加，这些都成为人类生存和发展的巨大威胁，能源 空气电池是化学电池的一种，其构造原理与干电池相似，下面我们一起来看看各种空气电池原理。 &&& 各种空气电池原理。&&& 铝空气电池工作原理&&& 铝空气电池的化学反应与锌空气电池类似，铝空气电池以高纯度铝Al（含铝99.99%）为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。铝空气电池的进展十分迅速，它在EV上的应用已取得良好效果，是一种很有发展前途的空气电池。&&& 铝空气电池构造特点&&& 在单体电池中以铝（Al）为负极、氧为正极，在铝空气电池两侧有一对辅助空气电极，作为铝空气电池正极，在工作时只消耗铝和少量的水。&&& 铝空气电池优点&&& 比能量大&&& 铝空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg，2014年的铝空气电池的实际比能量只达到350Wh/kg，但也是铅酸电池的7～8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。采用铝空气电池后，车辆能够明显地提高续驶里程，国外有关资料介绍，美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。 &&& 质量轻&&& 我国开发和研制的牵引用动力型铅酸蓄电池的总能量为13.5kWh，总质量为375kg。而同样能量的铝空气电池总质量仅45kg，为铅酸蓄电池质量的12%。由于电池质量大大减轻，车辆的整备质量也降低，可以提高车辆的装载能量或延长续驶里程。&&& 铝没有毒性和危险性&&& 铝对人体不会造成伤害，可以回收循环使用，不污染环境。铝的原材料丰富，已具有大规模的铝冶炼厂，生产成本较低。铝回收再生方便，回收再生成本也较低。而且可以采用更换铝电极的方法，来解决铝空气电池充电较慢的问题。&&& 虽然铝空气电池含有高的比能量，但比功率较低，充电和放电速度比较缓慢，电压滞后，自放电率较大，需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。&&& 锂，元素周期表中排在第三位的金属，似乎只是碱金属中平凡的一种，但它的用途确并不是那么的平凡。首先，它是最轻的金属，把锂扔到水里，它会像软木塞一样漂浮在水面上，它的密度只有水的一半；其次锂在几个尖端领域早已崭露头角，锂是氢弹的原料，我国第一颗氢弹就是用氢化锂和氘化锂作炸药的，一公斤氘化锂的爆炸能力相当于五万吨烈性TNT；高氯酸锂、硝酸锂是火箭燃料的高效氧化剂；氢氧化锂有特殊的香味，是制造汽水的原料。而它最重要也是对人类最有价值的应用莫过于金属锂是电势最负的金属，从而成为电池中负极的最佳选择，促进了锂离子电池的发现。锂离子电池发展至今，已经大大的改变了人类对传统化学电源的印象，质量轻，体积小，续航时间长等优点都使便携式电子设备，如手机，相机，笔记本电脑迅速发展，可以说锂离子电池的发现已经完全改变了传统的通讯，休闲，娱乐甚至商务会议的概念，使之不再局限于时间地点，更加省时，省力，随心所欲。 &&& 但目前商业化的锂离子电池主要还是基于LiCoO2等锂离子嵌层化合物的摇椅机理，正极材料成为锂离子电池能量密度的限制，而要减少二氧化碳的排放，解决全球变暖，仅靠便携电子设备的电源改革是不行的，因为造成二氧化碳排放的原因主要是道路交通工具所使用的化石燃料的燃烧，因此发展电动汽车才是最直接的解决办法。但要实现纯的电动汽车，电化学电源需要完全代替汽油，即达到汽油的13000Wh/Kg的能量密度，而锂离子电池由于正极材料和摇椅机理的限制极限能量密度只能达到400Wh/Kg，所以，锂离子电池难当重任，寻找新的电化学电源途径势在必行。&&& 图3锂空气电池原理示意图&&& 锂空气电池的研究应运而生，它的原理如图1所示，以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极为正极，放电过程中，金属锂在负极失去电池成为锂离子，电子通过外电路到达多孔正极，神奇的是电子并没有将多孔电极上的碳还原，而是像人类的呼吸一样，将空气中的氧气还原，这一反应持续进行，电池便可以向负载提供能量。充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂，待该过程进行完全，则电池又可重新向负载提供能量。由此可见，锂空气电池的呼吸不同寻常，既不像植物的光合作用消耗空气中的二氧化碳产生氧气，又不像人类的呼吸作用吸入氧气产生二氧化碳，它吸入的是氧气，但氧气在充电过程又再次放出，并且整个过程中不会产生对环境有害的物质，完全是零污染的绿色过程。 &&& 另外，锂空气电池的另一个重大优势就是正极的活性物质氧气是直接来源于周围空气，因而是取之不尽用之不竭的，并且不需要储存在电池内部，这样既降低了成本又减轻了电池的重量，所以电池的能量密度完全取决于金属锂一侧。通过理论计算可以得出，锂空气电池的能量密度可以达到13200Wh/Kg的超高理论能量密度，这一能量密度足以和汽油相媲美，从而有望完全代替汽油，真正实现纯电动汽车。&&& 目前全球已经有上千个研究单位在从事锂空气电池方面的研究，经过科研人员不懈的努力，期望在不久的将来这一会呼吸的绿色电池可以真正的实现在电动汽车方面的应用，从而为人类的可持续发展做出贡献。
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07市州观察?德阳日
“铝+水+空气”发电，“黑科技”变现
本报制图/卢浩
&&&&德阳五年布局，首迎“铝空电池”量产&&& “不能变现成产品，再炫酷的高科技也只是传说。”11月8日，看着新揭牌的“四川省铝空动力产业园”牌匾，德阳东深新能源科技有限公司董事郝步东笑称“终于松了一口气”。&&& 十天前，已成立整整五年的公司终于迎来首批量产产品下线。按照订单，1000台铝空气金属燃料UPS（不间断电源），将被用于德阳铁塔基站备用电源，代替原来的柴油发电机和铅酸电池。&&& 据悉，这是全国首次实现铝空金属燃料电池（简称“铝空电池”）产业化、商业化。&&& 用“铝+水+空气”发电，这项“黑科技”在德阳真正走向了市场。□本报记者 朱雪黎探路三大用途加紧试验&&& 铝空电池用途广泛，以之为基础的铝燃料UPS并非德阳希望量产的唯一产品。“让铝空电池一举成名的应用，还是在新能源汽车领域。”说起这项“黑科技”，中国工程院院士欧阳晓平说，两年前，国外一家公司就对外展示过这项技术，并号称用铝原料、水和空气发电的铝空电池“仅靠注水可续航达3000公里”，当时一度引起轰动。“国外试验可达3000公里，德阳试验的结果是‘装30公斤铝续航1000公里’。”东深新能源相关负责人告诉记者，就能量密度、功率性能和安全性而言，铝空电池非常适合做牵引动力电池，而这也是企业的主攻方向。他们通过与川内一家车企合作，经过近一年的论证和试验，目前已实现“一次性装30公斤铝燃料，可续航1000公里”。&&& 该负责人算了一笔账：铝原料价格约为12元/公斤，加上制作反应装置等成本，百公里成本约45元，“每公里0.45元，比烧油划算。”&&& 他们已将铝空电池装载到一款载重3吨的冷链运输车上，目前正在进行试跑。“电池放置的位置等细节正在调试中，面世指日可待。”启动铝空动力新能源汽车项目，未来德阳将着重打造铝空动力电源和混合电源等全系列新产品。&&& 用铝空电池为无人机和轻型飞机等提供动力，则是另一大应用方向。目前，东深新能源也正与国内多家院校、机构合作，进行铝空动力无人机和电动轻型飞机铝空动力电源样机及测试。困境技术、配套有待突破&&& 铝空电池的发展一直伴有争议，而“优点、缺点都很突出”是业内共识。&&& 天津大学教授王为是铝空电池在国内的主要研发人，她认为，铝空电池具有“能量密度高、安全、可循环、环保无污染”等优点，未来可在通讯基站、医院、电视台的应急备用电源领域广泛应用，仅此一项就有“千亿市场”可待开发。&&& 而铝空电池本身也是像干电池一样的 “一次性电池”，可以“用完即换”。应用于新能源汽车，相比锂电，不需要解决麻烦的充电问题。“只要密封好，铝空电池无论运输、储存还是携带都非常安全。”王为说。&&& “要促进铝空电池发展，正视缺点更为重要。”在东深新能源首批产品下线当天，欧阳晓平不止一次强调这一观点。在他看来，铝空电池缺点也很突出。例如，作为不能充电的“一次性电池”，要大范围商用，需要重新建立一条从制造到运输、到更换再到回收的产业链。“建立这个体系，需要巨大的资金投入，更需要长时间培育。”而对驱动大型装置来说，铝空电池功率密度较低，往往需要配套锂电池使用，这也导致其实用性打了折扣。&&& 铝燃料电池生产企业相关负责人也认为，要加速工程化、产业化进程，当务之急还要“让铝空电池的体积变得更小、能量密度进一步提升”。对策“循环发展”未来可期&&& 对于铝空电池的发展，欧阳晓平认为“未来，更值得期待”。&&& 他认为，铝是地球上含量极丰富的金属元素，而铝空电池技术将铝“由金属材料变为燃料”，本身就将促进电池行业大换代，甚至有可能改写整个能源格局。多领域研发、试验，被其视作突破铝空电池技术瓶颈的应对之策。他透露，未来他还将把铝空电池与超级电容器结合起来，广泛研究用于航空动力和水下动力等领域。&&& 值得一提的是，“用铝发电，铝并不会消失”，而这也被视为铝空电池发展的又一显著优势。郝步东介绍，依照他们的技术，普通甚至废弃的铝材料可以变为燃料，实现发电。而一旦产业链成熟，“铝空电池回收”也将是一笔大生意。&&& 据介绍，铝空电池放电的副产物氢氧化铝可大量用作工业级阻燃剂，实现回收利用。过剩的氢氧化铝通过分离可生成直径30纳米的颗粒状氧化铝，用于生产工业蓝宝石等。而过剩的氧化铝又可采用绿色电解铝工艺，再次成为铝燃料，从而实现“循环发展”。&&& 今年4月，国家发展改革委、国家能源局联合下发文件，明确了金属燃料电池的发展路径。按照顶层设计，德阳正着力实施“高端新型产业培育计划”等一系列创新政策举措，优势企业、产业联盟、核心技术、高精尖产品“四个一批”创新发展规划稳步推进。&&& 10月28日，四川省铝空动力产业园也在德阳旌阳高新区揭牌，明确将以德阳东深新能源科技有限公司为核心企业，新增至少5家配套企业，促进电池行业更新换代，打通铝空电池全产业链通道。
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