2014年6月2日，加拿大國(guó)際鋁業(yè)會(huì)議在蒙特利爾舉行。會(huì)議期間，以色列Phinergy 公司和美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）在維倫紐夫賽車(chē)場(chǎng)，對(duì)一臺(tái)使用雙方合作開(kāi)發(fā)的鋁空氣電池的雪鐵龍C1電動(dòng)車(chē)進(jìn)行了測(cè)試，續(xù)航里程是特斯拉Model S電動(dòng)汽車(chē)的兩倍以上。鋁空氣電池的構(gòu)成和特點(diǎn)怎樣？在新能源汽車(chē)的應(yīng)用前景究竟如何？我國(guó)發(fā)展新能源汽車(chē)能否采用？對(duì)此，我們進(jìn)行了深入研究和剖析，以期對(duì)我國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展提供借鑒。
鋁空氣動(dòng)力電池研究取得新進(jìn)展
鋁空氣電池的構(gòu)成和特點(diǎn)。鋁空氣電池是以鋁合金為負(fù)極、空氣電極正極、中性水溶液或堿性水溶液為電解質(zhì)構(gòu)成的一種高能量化學(xué)電源，屬于半燃料電池。鋁空氣電池的理論能量密度可以達(dá)到2290Wh/kg ， 已規(guī)模應(yīng)用的產(chǎn)品能量密度為300-400Wh/kg，遠(yuǎn)高于主流鋰離子電池芯150-240Wh/kg 的能量密度。鋁空氣電池產(chǎn)生電能消耗鋁、氧氣和水，原料來(lái)源豐富，工作過(guò)程不產(chǎn)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(dá)3-4 年。鋁空氣電池可以分為一次電池和通過(guò)更換鋁負(fù)極方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械可充的二次電池。
國(guó)外研究進(jìn)展較快，應(yīng)用水平不斷提高。美國(guó)、加拿大、以色列等國(guó)均在大力開(kāi)發(fā)鋁空氣電池作為動(dòng)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(xué)院和美國(guó)電技術(shù)研究公司分別研制出了中性和堿性鋁空氣電池，通過(guò)補(bǔ)充一次鋁電極可以供電動(dòng)車(chē)運(yùn)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(dòng)車(chē)試運(yùn)行；
美國(guó)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(shù)，電池組容量可以達(dá)到5000Ah 以上；美國(guó)勞倫斯-利弗莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在美國(guó)能源部的資助下開(kāi)展了替代內(nèi)燃機(jī)的金屬空氣電池研究，其與陶氏化學(xué)等公司聯(lián)合成立的Voltek 公司開(kāi)發(fā)出了世界上第一個(gè)可快速更換鋁合金負(fù)極的實(shí)用型動(dòng)力鋁空氣電池系統(tǒng)，根據(jù)裝車(chē)試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)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(guó)鋁業(yè)公司在鋁空氣電池小型化研發(fā)方面取得進(jìn)展，安裝兩家公司合作研發(fā)的能量密度為300Wh/kg、100kg 重鋁空氣電池組的雪鐵龍C1 電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可以達(dá)到1600km。
鋁空氣電池成為主導(dǎo)動(dòng)力電源仍有差距
鋁空氣動(dòng)力電池是動(dòng)力電源的潛在競(jìng)爭(zhēng)者。當(dāng)前動(dòng)力電池是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素，提高電池的能量密度成為動(dòng)力電池的重點(diǎn)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(píng)價(jià)，鋁空氣電池較鎳氫電池、鋰離子電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為電動(dòng)汽車(chē)電源的有力競(jìng)爭(zhēng)者。一是目前規(guī)模生產(chǎn)的鋁空氣電池能量密度已經(jīng)達(dá)到300-400Wh/kg，相同重量的鋁空氣電池可以使電動(dòng)汽車(chē)行駛更多里程；二是采用機(jī)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(fù)充滿(mǎn)狀態(tài)，遠(yuǎn)高于電化學(xué)充電的速度；三是鋁材料豐富、價(jià)格低，電極利用率可以達(dá)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(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用。
鋁空氣電池雖然在能量密度方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其能達(dá)到的最高功率密度僅為200W/kg，與鋰離子動(dòng)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(mǎn)足當(dāng)前市場(chǎng)上在售極少數(shù)小型低功率電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電池組的要求，絕大多數(shù)在售純電動(dòng)汽車(chē)若單獨(dú)使用鋁空氣電池，則較難滿(mǎn)足駕駛者對(duì)最高車(chē)速和加速性能的要求，如需獲得鋰離子動(dòng)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?qū)⒊蔀榧铀黉X空氣電池應(yīng)用的有效解決方案。由于鋁空氣電池存在功率密度低的問(wèn)題，鋰離子電池的能量密度還需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)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(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)兼顧加速性能和提高續(xù)航里程的優(yōu)選應(yīng)用解決方案，并將加速鋁空氣電池在純電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用。2010 年特斯拉對(duì)類(lèi)似方案的研究已經(jīng)取得進(jìn)展，并申請(qǐng)了“電動(dòng)汽車(chē)增程混合動(dòng)力電池組系統(tǒng)”的專(zhuān)利，專(zhuān)利電池組使用鋰離子和金屬空氣兩種類(lèi)型的電池，其混合動(dòng)力系統(tǒng)是從電到電的方式，工作時(shí)鋰離子電池組直接給車(chē)供電，金屬空氣電池組發(fā)揮能量密度高、可以存儲(chǔ)較多電能的優(yōu)勢(shì)為鋰離子電池組提供電能，最終實(shí)現(xiàn)提高續(xù)航里程的目的。
我國(guó)需跟進(jìn)研究鋁空氣電池技術(shù)
緊跟技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向，著力突破關(guān)鍵材料、零部件和工藝技術(shù)。依托“工業(yè)強(qiáng)基專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)”，發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用，圍繞“應(yīng)用牽引、平臺(tái)支撐、重點(diǎn)突破”的發(fā)展思路，扶持在鋁空氣電池領(lǐng)域具有基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)緊跟鋁空氣動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)，重點(diǎn)突破鋁合金電極和銀基催化劑等關(guān)鍵材料，鋁空氣電池電源管理系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件，高利用率鋁合金電極生產(chǎn)工藝技術(shù)和成組鋁空氣電池組電極快速更換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
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