铝/空气电池充油助力高比能量动力电源

中科院青促会 王二东

（中科院大连化学物理研究所）

评述论文：Suppressing corrosion in primary aluminum-air batteries via oil displacement（Science 9 Nov. 2018:Vol. 362, Issue 6415）

自上世纪60年代被Zaromb发明以来，铝/空气电池以其超高的理论比能量（8046 Wh/kg）[1]一直备受关注，被认为适用于离网供能系统和动力装置増程电源。然而，由于金属铝的活性大于氢，铝负极在水溶液中发生剧烈的析氢反应，严重降低了铝空气电池的待机（开路）贮存寿命。即便采用目前最先进的腐蚀抑制手段，铝/空气电池在开路状态下贮存一个月的自放电率也已超过80%，难以满足实际使用需求。数十年来研究者们提出了多种技术途径解决铝负极的析氢腐蚀问题，包括：（1）铝负极合金化；（2）电解质中添加析氢抑制剂；（3）凝胶电解质；（4）离子液体电解质；（5）电池停止工作后排空电解液，并用水或酸性溶液清洗电极表面。不过，上述解决途径均是以牺牲电池比能量和比功率为代价，合金化和析氢抑制剂虽可有效降低铝/空气电池在工作状态下的腐蚀速率，但在开路状态下仍需配合途径（5），而途径（5）需要额外增加溶液和相关容器，从而降低了电池的比能量；凝胶和离子液体电解质的使用虽可使铝负极的腐蚀速率降低约三个数量级，但这也同时会降低电解质的电导率，从而使电池比功率明显降低。

在本期科学杂志中，来自MIT的Brandon J. Hopkins提出抑制铝/空气电池开路腐蚀的新途径：在铝/空气电池待机状态下快速（50s）充油来避免其自放电（图1）。作者发现对于高热稳性和耐腐蚀性的全氟聚醚油（PFPE），铝负极和亲水处理的聚四氟乙烯隔膜（PTFE）表现出良好的水中疏油特性（图2），因此铝/空气电池充油后并不会污染铝负极、隔膜和电解液，对电池性能无负面影响。相比之前研究者提出的解决方法，该方法具有以下优点：（1）电池峰值功率密度无明显降低，充油后的铝/空气电池可达300 mW/cmgeo2，传统铝/空350 mW/cmgeo2；（2）油的质量仅占铝空气电池系统总质量的13%，需要起停数百次的铝空气电池比能量仍高达530 Wh/Lsys和680 Wh/kgsys。该工作提出了解决铝/空气电池开路状态下铝负极腐蚀问题的新思路，有利于推动该电池技术的实用化，助力高比能量动力电源的大规模应用。

图1.传统铝空和充油铝空示意图及性能对比

图2.两种油和隔膜的性能对比

参考文献：

[1] Q. Li, N.J. Bjerrum, Journal of Power Sources,110 (2002) 1-10.