[科普中国]-铝-空气系统

铝-空气电池是一种新型高能化学电源，它以铝合金为负极，空气电极为正极，中性或碱性水溶液为电解液，电池运行过程中通过消耗铝合金负极和空气中的氧气对外输出电能。

铝-空气电池不需充电，电池运行过程中可通过补充消耗的铝合金负极材料以维持电池持续运行，故也称为金属燃料电池。中性铝-空气电池以食盐水或海水为电解液，碱性铝-空气电池以氢氧化钠或氢氧化钾水溶液为电解液。该电池具有能量密度大、质量轻、材料来源丰富、无污染、可靠性高、寿命长、使用安全等优点，因此被称为是面向 21世纪的绿色能源。

铝阳极铝是一种很好的电池阳极材料，标准电极电势在中性电解质环境中为-1.65V，在强碱性电解质环境中可达到-2.35V，但铝阳极在强碱性电池中的电极电势会正移至约-1.5～2.0V;在100mA/cm2的放电电流密度下，电极电势变为约-1.2V。

这是因为:

①铝表面的钝化膜会导致铝的电化学活性受到抑制;

②铝作为两性金属元素，在强碱性电解质环境下会出现严重的析氢腐蚀，导致电极电位正移，电池电流效率降低。腐蚀反应生成的产物氢氧化铝胶体会使电解液的导电率下降，而且，电池在非工作状态下也不会停止腐蚀放电。为解决上述问题，人们使用了铝合金化与改善阳极热处理工艺两种方法。

工业级铝(99.0%)含有较多的杂质，如铁(0.5%)、硅、铜、锰、镁和锌等，会使相界面处铝的析氢腐蚀加剧，特别是铁会与铝形成局部原电池，导致电化学腐蚀成倍增加。可向铝中加入既能提高化学活性、又可提高耐腐蚀性的合金成分，如镓、铟、锡、锌、铋、镉和铅等元素，破坏氧化铝钝化膜，使铝电极满足大电流放电的要求。

综上所述，镓、铟和镁是实现铝阳极活化和防腐最重要的基础元素，铅、铋、锡、锌、镉和锰等可适量添加，以增强电化学性能。铝电极的电流效率和腐蚀形态取决于微观结构。微观结构除了受合金化影响外，还受热处理工艺的影响。

热处理主要是通过改变铝合金中微量元素的分布和合金表面的微观结构，来影响合金性能，属工艺学的研究范畴。1

电解液铝-空气电池的电解液多为中性盐溶液或强碱性溶液。

当使用中性电解液时，阳极自腐蚀小，但铝阳极表面钝化严重，使工作电压降低，电池的功率和电流难以提高，还会导致电压滞后，产物氢氧化铝胶体也会沉降、阻塞电解液，因此这类电池只能作为小功率的电源输出装置。当使用强碱性电解液时，铝的钝化减少，且碱液可吸纳一定量的反应产物氢氧化铝，电池的性能相对较好，但铝是两性金属，在强碱性环境中会发生强烈的析氢腐蚀，放出大量氢气，降低电池的输出功率和阳极利用率，在大电流密度下更严重。

可从以下两个方面解决上述问题:

①定期更换电解液，或采用循环电解液的形式，可改善电解液的导电环境，解除氢氧化铝溶胶的影响;

②向电解液中加入能活化铝阳极表面和抑制铝析氢腐蚀的添加剂。2

空气电极的结构与制备方法空气电极是铝-空气电池发展的关键，也是相关研究的核心问题。空气电极实质上是氧电极，工作原理是气体扩散电极理论。电极内部要形成尽可能多的、有效的气-固-液三相电化学活性位点。空气电极一般由多孔催化层、导电集流体和防水透气层3层结构组成: 多孔催化层是氧气被还原的主要场所，在这里，扩散进入的氧气、氧还原催化剂与薄层电解液交界处形成三相界面电化学活性位点; 导电集流体主要起导电和机械支撑的作用; 防水透气层具有疏松多孔憎水的结构，既为催化层提供反应所需的气体，又防止电解将气体扩散通道淹没。1

结论铝-空气电池具有比能量高、质量轻、体积小、使用寿命长以及对环境友好等特点，可用于多种用电设备和电动装置。近年来开发的多种阳极合金及相应的电解质添加剂，使铝-空气电池技术取得了很大的进展。受到空气电极极化和氢氧化铝沉降等问题的影响，铝-空气电池性能的提高遇到了一个瓶颈。今后需要加强对电池电解液和高效空气阴极的研究，特别是高效耐用的空气正极催化剂的研制，使铝-空气电池的性能得到进一步的提高。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学