鋁-空氣電池是一種新型高能化學電源，它以鋁合金為負極，空氣電極為正極，中性或鹼性水溶液為電解液，電池運行過程中通過消耗鋁合金負極和空氣中的氧氣對外輸出電能。
鋁-空氣電池不需充電，電池運行過程中可通過補充消耗的鋁合金負極材料以維持電池持續運行，故也稱為金屬燃料電池。中性鋁-空氣電池以食鹽水或海水為電解液，鹼性鋁-空氣電池以氫氧化鈉或氫氧化鉀水溶液為電解液。該電池具有能量密度大、質量輕、材料來源豐富、無污染、可靠性高、壽命長、使用安全等優點，因此被稱為是面向 21世紀的綠色能源。
基本介紹
- 中文名：鋁-空氣系統
- 含義：鋁-空氣電池
- 屬於：新型高能化學電源
- 負極：鋁合金
- 正極：空氣電極
- 領域：工程技術
鋁陽極,電解液,空氣電極的結構與製備方法,結論,
鋁陽極
鋁是一種很好的電池陽極材料，標準電極電勢在中性電解質環境中為-1.65V，在強鹼性電解質環境中可達到-2.35V，但鋁陽極在強鹼性電池中的電極電勢會正移至約-1.5～2.0V;在100mA/cm2的放電電流密度下，電極電勢變為約-1.2V。
這是因為:
①鋁表面的鈍化膜會導致鋁的電化學活性受到抑制;
②鋁作為兩性金屬元素，在強鹼性電解質環境下會出現嚴重的析氫腐蝕，導致電極電位正移，電池電流效率降低。腐蝕反應生成的產物氫氧化鋁膠體會使電解液的導電率下降，而且，電池在非工作狀態下也不會停止腐蝕放電。為解決上述問題，人們使用了鋁合金化與改善陽極熱處理工藝兩種方法。
工業級鋁(99.0%)含有較多的雜質，如鐵(0.5%)、矽、銅、錳、鎂和鋅等，會使相界面處鋁的析氫腐蝕加劇，特別是鐵會與鋁形成局部原電池，導致電化學腐蝕成倍增加。可向鋁中加入既能提高化學活性、又可提高耐腐蝕性的合金成分，如鎵、銦、錫、鋅、鉍、鎘和鉛等元素，破壞氧化鋁鈍化膜，使鋁電極滿足大電流放電的要求。
綜上所述，鎵、銦和鎂是實現鋁陽極活化和防腐最重要的基礎元素，鉛、鉍、錫、鋅、鎘和錳等可適量添加，以增強電化學性能。鋁電極的電流效率和腐蝕形態取決於微觀結構。微觀結構除了受合金化影響外，還受熱處理工藝的影響。
熱處理主要是通過改變鋁合金中微量元素的分布和合金表面的微觀結構，來影響合金性能，屬工藝學的研究範疇。
電解液
鋁-空氣電池的電解液多為中性鹽溶液或強鹼性溶液。
當使用中性電解液時，陽極自腐蝕小，但鋁陽極表面鈍化嚴重，使工作電壓降低，電池的功率和電流難以提高，還會導致電壓滯後，產物氫氧化鋁膠體也會沉降、阻塞電解液，因此這類電池只能作為小功率的電源輸出裝置。當使用強鹼性電解液時，鋁的鈍化減少，且鹼液可吸納一定量的反應產物氫氧化鋁，電池的性能相對較好，但鋁是兩性金屬，在強鹼性環境中會發生強烈的析氫腐蝕，放出大量氫氣，降低電池的輸出功率和陽極利用率，在大電流密度下更嚴重。
可從以下兩個方面解決上述問題:
①定期更換電解液，或採用循環電解液的形式，可改善電解液的導電環境，解除氫氧化鋁溶膠的影響;
②向電解液中加入能活化鋁陽極表面和抑制鋁析氫腐蝕的添加劑。
空氣電極的結構與製備方法
空氣電極是鋁-空氣電池發展的關鍵，也是相關研究的核心問題。空氣電極實質上是氧電極，工作原理是氣體擴散電極理論。電極內部要形成儘可能多的、有效的氣-固-液三相電化學活性位點。空氣電極一般由多孔催化層、導電集流體和防水透氣層3層結構組成: 多孔催化層是氧氣被還原的主要場所，在這裡，擴散進入的氧氣、氧還原催化劑與薄層電解液交界處形成三相界面電化學活性位點; 導電集流體主要起導電和機械支撐的作用; 防水透氣層具有疏鬆多孔憎水的結構，既為催化層提供反應所需的氣體，又防止電解將氣體擴散通道淹沒。
結論
鋁-空氣電池具有比能量高、質量輕、體積小、使用壽命長以及對環境友好等特點，可用於多種用電設備和電動裝置。近年來開發的多種陽極合金及相應的電解質添加劑，使鋁-空氣電池技術取得了很大的進展。受到空氣電極極化和氫氧化鋁沉降等問題的影響，鋁-空氣電池性能的提高遇到了一個瓶頸。今後需要加強對電池電解液和高效空氣陰極的研究，特別是高效耐用的空氣正極催化劑的研製，使鋁-空氣電池的性能得到進一步的提高。
