近年來，通過開發(fā)各種新型的鋁合金電極及相應(yīng)的電解質(zhì)添加劑，更使鋁電池的研究取得突破性的進(jìn)展，鋁合金電池產(chǎn)品在野外便攜裝置、應(yīng)急電源、備用電源、機(jī)動車輛和水下潛艇的驅(qū)動等方面得到了廣泛應(yīng)用。
1、陽極材料的開發(fā)
鋁作為陽析材料需要活化，然而活化后的鋁陽極的抗腐蝕性能下降。因此電極的活化和抗腐蝕性能的提高是鋁陽極研究過程中需解決的主要問題。鋁電極的活化是通過合金實現(xiàn)的，作用是減小氧化膜的厚度或減小直接被水還原反應(yīng)速率。例如當(dāng)發(fā)生陽極化時，在鋁-鎵合金的表面會有鎵的富集，因此克服氧化物表面膜的阻礙效應(yīng)是達(dá)到提高電壓目的有效途徑之一。研究表明，金屬CA、IN、SN、PB、BI、HG、CD、MG及MN等提高鋁合金陽極綜合性能的主要元素。例如，添加比鋁高價的合金元素，如SN，可使鋁氧化膜產(chǎn)生孔隙，從而降低氧化膜的電阻。在鋁合金中添加SN，高價SN在氧氣膜表面取代AL，產(chǎn)生一個附加空穴，破壞了氧化膜的致密性，從而使氧氣膜電阻 用鋁陽極與二氧化錳構(gòu)成的電池，理論電壓要比鋅-二氧化錳電池高0.9V，且可以避免鋅電極含汞的問題。由于金屬鋁表面卜的氧化膜，實際電壓僅比鋅電池高0.2V，且當(dāng)氧化膜被破壞時會發(fā)生金屬腐蝕。近年來，通過優(yōu)化合金組成和采用電解質(zhì)添加劑的雙重途徑，鋁陽極合金的耐腐蝕性能已大幅度提高。如人們發(fā)現(xiàn)，向鋁合金中加入一定量的錳元素，且與其中的雜質(zhì)含量成一定的比例關(guān)系，可以有效地減小雜質(zhì)Fe的有害影響，并能很大程度上降低鋁合金陽極的制造成本。美國專利4554131t5：也指出合金元素Mn在其專利合金中對消除有害雜質(zhì)Fe影響有一定的作用，同時還指出，除有害雜質(zhì)Fe影響有一定的作用，同時還指出，向合金中添加—定量的鎂，有助于提高合金在空載條件下的抗腐蝕性能。
通過添加少量合金元素的方法制成的含有鎂、鈣、鋅、鎵、銦、鉈、錫、鉛，汞等元素的二元、二元或四元合金，可以有效地活化鋁電極并增強其抗腐蝕性能。
迄今為止，研究的鋁合金陽極材料性能較好的有Al-Ga-Mg系列合金、A1—in-mg和Al Ga—Bi Pb系列合金。
(1)Al-Ga-Mg系列合金
Al-Ga-g系列合金是美國專利合全”典型成本(重量％)為：Fe0．02％—O．10％O．02—O，20％，Ga0．02—O．06％，Mg0．2．00％，Si為fe含量的0.5-2位。與其它陽極合金相比，該合金的優(yōu)勢在于降低了鋁陽極材料的制造成本，不用99。99％的高純鋁，而用94．18—99．95％的純鋁配制。Al—Ga—Mg系列合金在含1 0MAl3十和0.06MSn4+的4．OMNaOH溶液中腐蝕放電，在施加電流密度較小時，表現(xiàn)出了較好的電化學(xué)性能，但在較高電流密度下卻不盡如人意。
(2)Al—In—Mg系列合金
其基本成分(重量％)為：o．02—o．15％．O．02-0．20％Mn，O．05—l 0％Mg，余量為鋁，鋁的純度至少為99．95％，最好不低于99．99％?。Al—in—Mg系列合金在純堿液中就可獲得優(yōu)良的電位與腐蝕抗力平衡，而不必向電解液添加錫酸鈉緩蝕劑，由此避免廠緩蝕劑對陽極性能的不利影響，Al-in—Mg系列合金在堿性溶液高電流密度放電的條件下．表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能
（3）al-ga-bi-pb系列合金
Al—Ga—Di—PL系列合金，是西南鋁業(yè)（集團(tuán))有限責(zé)任公司與武漢712所合作共同研制成功的一種高性能陽極材料。該材料在中性溶液的電化學(xué)性能優(yōu)良，而在堿性溶液中的性能al—In—Mg合金稍差：Al—Cd—ni—Pb系系合金主要用于民用電動力源以及海上無電區(qū)，如航標(biāo)燈。
2、研究材料熔煉鑄造工藝的研究
作為電極活性材料的鋁合金，必須具有優(yōu)良的電化學(xué)性能和耐腐蝕性能。要想達(dá)到這一點，鑄煉鑄造是非常重要的第一步。在熔煉鑄造過程中常現(xiàn)3種嚴(yán)重缺陷：偏析、熱裂及帶人有害雜質(zhì)元素。鋁陽極添加合金元素的性質(zhì)，是影響合金熔煉鑄造工藝參數(shù)的主要因素。由此，確定向鋁中添加高比重、低熔點金屬的熔煉鑄造工藝，以防止合金成分偏析、鑄錠夾雜以及熱裂等缺陷，同時避免工藝操作過程中有害雜質(zhì)元素的混入而影響鋁陽極耐腐蝕性能，是鋁合金陽極熔煉鑄造工藝研究的主要內(nèi)容。：
(1)陽極鋁合金鑄錠存在枝晶偏析和晶界偏析；晶界偏析主要是合金元素形成低共溶混合物的結(jié)果；
(2)減少或避免合金元素積聚(形成第二相或者在晶界富集)能明顯降低鋁的腐蝕速率；
(3)低共溶混合物在晶界聚集，是導(dǎo)致鑄錠熱裂增人的主要原因。合理選擇鑄造參數(shù)，改變鑄錠凝固方式，是防止鑄錠熱裂的有效方法。例如，采用金屬水冷模鑄造成或進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼龋?/p>
(4)嚴(yán)格控制雜質(zhì)Fe，Si含量，減少析氫腐蝕。研究表明．選用高品位原材料和采用非鐵質(zhì)具或用涂料保護(hù)，采用少量覆蓋劑、惰性氣體精煉是控制雜質(zhì)fe、5i等含量的有效措施。
3、鋁陽極材料的應(yīng)用
鋁陽極材料一般應(yīng)用于兩類電池。一類水溶液電池，包括鋁／二氧化錳電池、鋁／氧化銀電池、鋁／空氣電池、鋁／過氧化氫電池以及近來開發(fā)的鋁/氰鐵酸電池和鋁／硫電池等。另一類是熔鹽和常溫有機(jī)熔鹽電池，包括鋁／氫氣、鋁／氮化鐵、鋁／氯化銅和鋁／二硫化鐵等電池。
3.1 水溶液電解質(zhì)電池
與融熔鹽或其他非水有機(jī)溶液劑體系相比,水溶液電解質(zhì)體系具有操作簡單、電導(dǎo)率較高、價格低廉、環(huán)境污染少等優(yōu)點。傳統(tǒng)的水溶液電池（如鉛酸電池和鎳鎘電池）的缺點在于能量密謀較小和污染環(huán)境。相比之下，鋁電池體系的電化學(xué)性能和環(huán)境污染方面要優(yōu)越得多。
3 1 1 鋁—二氧化錳電池
二氧化錳是典型的陰極材料，與鋅陽極構(gòu)成的干電池是市場上流行的產(chǎn)品之一，用鋁作陽極與一氧化錳構(gòu)成的電池，理論電壓要比鋅電池高o．9V，且可以避免鋅電極含汞的問題。目前這類電池僅限于一些特殊用途，如采用海水作電解質(zhì)，用作水下電源。
3.1.2 鋁—氧化銀電池
氧化銀被廣泛用于各種電池，與鋅陽極構(gòu)成的電池(采用堿性電解質(zhì))是能量密度最高的電池體系之一，因此叫以做成又薄又小的鈕扣電池
由于鋁比鋅陽極更為優(yōu)越，鋁和氧化銀構(gòu)成的電池得到廣泛的研究，可作為水下軍事沒施的驅(qū)動能源，尤其是在魚雷動力電源方面的應(yīng)用更足受到各國誨軍的高度重視。
美國ELTECH公司研制廠140V，L．66kW?h的M／AgO電池系統(tǒng)，能量密度為82WK/kR，用于小型潛艇，據(jù)報道，采用有機(jī)聚合物粘結(jié)的氧化銀電池，和堿性電解質(zhì)組成的電池，容量已達(dá)到1．2Ah／3。作為新一代魚雷動力電池，鋁／氧化銀電池有很大的發(fā)展?jié)摿ΑｎA(yù)計在近期，經(jīng)過改進(jìn)和進(jìn)一步優(yōu)化，質(zhì)量可能可以達(dá)到150—2dOWh／kg，質(zhì)量比功率可達(dá)到1000～1500W／kg
3.1.3 鋁—空氣電池
美國的Zammb等在1960年代證實了鋁—空氣電池體系在技術(shù)上的可行性：當(dāng)時采用的是濃KOH溶液和高純鋁陽極：此后北美的大多數(shù)研究者致力于采用堿性電解質(zhì)。在歐洲，Despic等首先研究了以鹽水(海水)為電解質(zhì)的鋁—空氣電池：
鋁—空氣電池的容量取決于鋁陽極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)中AL(OH)，沉淀的處理。關(guān)于鋁陽極結(jié)構(gòu)的設(shè)汁有3種方案。最普通的一種采用定期更換陽極。另一種是采用楔型陽極，在傾斜放置的兩片陰極之間，通過重力來實現(xiàn)自動進(jìn)料。第三種方案是采用鋁屑、鋁珠或鋁顆粒作陽極，自動進(jìn)料。
這種電池可用于水下驅(qū)動或港口、航標(biāo)等照明、野外充電電源或其他軍事用途：據(jù)報道，一種直徑3cm的電纜電池可長達(dá)數(shù)百米，1 kglm，功率密度640Wh／kg，可在水下使用半年之久。
3.1.4過氧化氫電池
鋁—過氧化氫電池是鋁—空氣(氧氣)的一個分支。在使用氣體反應(yīng)物不便(如水下應(yīng)用)的條件下，過氧化氫是便捷的氧源。
這種電池的設(shè)計有兩種方式，一種是采用直接向電解液中加入H2，H~vold等采用向KOH中連續(xù)添加kLO的方法，成功研制廠鋁—過氧化氧電池體系，用作潛艇的能塬。該電池可以驅(qū)動潛艇多次航行，每次航行36小時，中間間隔1小時來補充過氧化氧溶液。Rao等設(shè)計了多功能鋁電池，當(dāng)加入海水作為電解質(zhì)時，電池低功率(1kW)運行，而以海水利過氧化氫混合液體作為電解質(zhì)時，實現(xiàn)高功率(20kW)運行
3．2 熔鹽和常溫有機(jī)熔鹽電池
因為金屬鋁可以從熔鹽或非水有機(jī)電解質(zhì)體系中電沉積，這樣的電解質(zhì)可以用于開發(fā)再充電的高能二次鋁電池，目前人們對這種電池的研究主要集中在采用硫及其同族元素作為陰極材料：由于硫電極存在于易儲存和溶解等問題，日本、丹麥等國家的科學(xué)家研究廠各種過渡金屬(如鎳網(wǎng)陰極)及其硫化物電極，如FES。FE，nis等等，其中ns2和FeS是最常用的陰極材料。
在175℃下，AI／NaCI—AICb／MeS熔鹽電池具有很高的放電容量。但是鋁陽極在充電的過程中沉積的鋁常常呈枝晶狀，因而影響電極的可逆性。向電解質(zhì)中添加MaCl2笄無機(jī)鹽町以有效地改善沉積鋁的質(zhì)量。另外，高溫下金屬硫化物在熔體中的溶FeS2，F(xiàn)eS，TiS2。CR2S3，NAFES2，COS3，NIS，NI3S2，MOS3等等，其中FES2和FES是最常用的陰極材料。
近年來的研究側(cè)重于常溫有機(jī)鹽體系。氯化鋁可以和有機(jī)氯化物形成常溫熔鹽電解質(zhì)體系。堿性熔體可用于一次電池，而酸性熔體才可以用于二次電池，熔體中電沉積的鋁可以有效地再放電而不會引起電解質(zhì)的分解，因此酸性熔體被廣泛用于二次電池的開發(fā)。在常溫熔鹽體系中，研究過一次和二次有AL-CL2，AL-FECL3，AL-DECL3，AL-CUCL2，AL-FES2等電池。
4、結(jié)束語。
鋁是一種高溫強度的能量載體，是開發(fā)電池的理想電極材料。近年來新型鋁陽極合金材料的研究開發(fā)取得了突破性的進(jìn)展，用其開發(fā)的鋁電池已經(jīng)廣泛用于應(yīng)急電源、備用電源、機(jī)動車輛和水下設(shè)施的驅(qū)動能源。鋁電池已構(gòu)成了鋁應(yīng)用電化學(xué)的一個重要分支。今后的工作重點仍是不斷研制和開發(fā)性能優(yōu)良的電池用鋁合陽極，并降低其制造成本，使要其在民用電動力源領(lǐng)域上也得到積極應(yīng)用。
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