鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1472次 | 2021年10月21日
鋁空氣電池在新能源汽車(chē)的應(yīng)用前景
加拿大國(guó)際鋁業(yè)會(huì)議在蒙特利爾舉辦期間,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)汽車(chē)進(jìn)行了測(cè)試,續(xù)航里程是特斯拉ModelS電動(dòng)汽車(chē)的兩倍以上。鋁空氣電池的構(gòu)成和特點(diǎn)怎么樣?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)展供應(yīng)借鑒。
鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池研究取得新進(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,屬于半燃料動(dòng)力鋰電池。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。鋁空氣電池出現(xiàn)電能消耗鋁、氧氣和水,原料來(lái)源豐富,工作過(guò)程不出現(xiàn)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,新增循環(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)汽車(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)汽車(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。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋁空氣電池成為主導(dǎo)動(dòng)力電源仍有差距
鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池是動(dòng)力電源的潛在競(jìng)爭(zhēng)者。當(dāng)前動(dòng)力鋰離子電池是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要因素,提高電池的能量密度成為動(dòng)力鋰離子電池的重點(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)力鋰離子電池300-800W/kg的功率密度有較大差距,100kg鋁空氣電池能供應(yīng)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)力鋰離子電池同樣的功率,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)用的有效解決方法。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)用解決方法,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)似方法的研究已經(jīng)取得進(jìn)展,并申請(qǐng)了“電動(dòng)汽車(chē)增程混合動(dòng)力鋰離子電池組系統(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)為鋰離子電池組供應(yīng)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)
標(biāo)稱(chēng)電壓:28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
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用途,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)的公司、科研機(jī)構(gòu)緊跟鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池技術(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)。
支持協(xié)同創(chuàng)新,夯實(shí)新型動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展基礎(chǔ)。支持建立產(chǎn)、學(xué)、研、用多主體共同持股的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池研究機(jī)構(gòu),以新型動(dòng)力鋰離子電池工程化應(yīng)用研究為要?jiǎng)?wù),以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為目的,發(fā)揮市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)調(diào)節(jié)的用途,以市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)模式加強(qiáng)新型動(dòng)力鋰離子電池核心技術(shù),多類(lèi)型電池混合電源管理系統(tǒng)、動(dòng)力鋰離子電池模塊等關(guān)鍵零部件,相關(guān)產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)投入和協(xié)同創(chuàng)新,建立標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)品和零部件體系,形成“技術(shù)成果有償開(kāi)放使用、共建方按股權(quán)分配經(jīng)營(yíng)收益”的良性發(fā)展機(jī)制,逐步構(gòu)建穩(wěn)固的新型動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展基礎(chǔ)。
開(kāi)展國(guó)際合作,加快引進(jìn)鋁空氣電池先進(jìn)技術(shù)。鼓勵(lì)公司開(kāi)展國(guó)際合作,依托我國(guó)巨大的市場(chǎng)需求優(yōu)勢(shì),與以色列Phinergy公司、美國(guó)鋁業(yè)公司等擁有先進(jìn)鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的公司開(kāi)展合作,成立合資公司或引進(jìn)先進(jìn)技術(shù),充分利用合資合作出現(xiàn)的技術(shù)外溢,帶動(dòng)鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池自主創(chuàng)新發(fā)展;鼓勵(lì)有條件的公司執(zhí)行“走出去”戰(zhàn)略,支持公司通過(guò)海外并購(gòu)獲取鋁空氣動(dòng)力鋰離子電池核心技術(shù)。