铝—空气电池的应用及设计

电池工业

叁』垡丝坠塑——————一：：．，

丝望堕：墅丝兰业生三旦

的净能量转换效率达８３％，按电池的总重量算，能量密度达到３５０Ｗｈ／ｋｇ，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。

２．４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ＤＣ—ＤＣ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，如图４所示，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的电缆电池可长达数百米，每米重量１蝇，质量比能量６４０Ｗｈ／ｋｇ，可在水下使用半年之久１６１。

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

图４电缆状铝一空气电池

Ｆｉｇ．４ＣａｂｌｅｔｙｐｅＡｌ－ａｉｒｂａｔｔｅｒｙ

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。挪威的ＨＵＧＩＮ系列ＵＵＶ和ＡＵＶ采用Ａ１／ＨＰ（双氧水）电池，其中ＨＵＧＩＮ３０００和ＨＵＧＩＮ４５００携带能量分别增加到４５ｋＷｈ和６０ｋＷｈ，续航能力达到６０ｈ。而ＨＵＧＩＮ１１同和ＨＵＧＩＮ３０００采取了相似的电源设计，区别是后者提供的能量更大，以下着重就ＨＵＧＩＮ３０００的电源设计进行叙述。

ＨＵＧＩＮ３０００的动力源采用Ａ１／ＨＰ（双氧水）电池，它为ＨＵＧＩＮ３０００ＡＵＶ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（Ｈ５０２）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，ＤＣ／ＤＣ转换器（输出３０Ｖ，１２００Ｗ）．Ｃｄ—Ｎｉ缓冲电池。其中阴极采用和ＨＵＧＩＮＩＩ相似的瓶刷状炭电极１７］，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４～５ｈ，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１８１。

图５是一种ＵＵＶ用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溶液打人电池）、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１９］。

图５ＵＵＶ用铝氧电池设计模式

Ｆｉｇ．５ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＡｌ—０２ｂａｔｔｅｒｙｆｏｒＵＵＶ

另外燃料电池技术公司（前身为加拿大铝能公司）已经发展并测试了用于水下航行器（ＸＰ一２１ＡＵＶ）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２．２４ｍ，重４００

ｋｇ，携带能量１００