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铝空气电池发展状况及相关建议


化解电解铝产能过剩的新路径——汽车用铝空气电池
[摘要]汽车用铝空气电池的产业化为铝的应用开辟了一个新的领域, 其本身 具有的比能量高、生产成本低等特点能够很好的解决当前电动汽车续航里程低、 充电不方便、生产成本高等问题,具有巨大的市场空间。

2014 年 6 月,美铝与以色列 Phinergy 公司联合开发的 续航能力达到 1600 公里的汽车用

铝空气电池进行了试车, 比较好的解决了当前电动汽车续航里程低、充电不方便、成 本高等主要问题,这一成果将大幅增加铝的消费量,引起了 铝行业、电动汽车行业的广泛关注。按中国汽车销量及运行 里程测算,我国铝空气电池可年增铝消费约 995 万吨,占 2013 年全国铝消费量的 40%,对我国化解电解铝产能过剩 有重大意义。 一、铝空气电池技术概况 (一)基本原理与构造 铝空气电池以空气中的氧为正极活性物质 , 铝或铝合金 为负极活性物质, 以氢氧化钠水溶液等为电解质,空气中的 氧气通过电池两侧的空气电极到达电化学反应界面 , 与铝反 应放出电能。单体铝空气电池构造以铝为负极,以电池两侧 的辅助空气电极为正极,工作时主要消耗铝和少量的水。铝 空气电池也能够以若干单体电池构成的电池组形式进行供 电。 (二)技术发展状况 当前,铝空气电池技术路线基本都已走通,只是在每度
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电铝材消耗、实际比能量、比功率等技术指标方面存在一定 的差异。 国内从事相关技术研究的单位主要有中科院过程工程 研究所、大连物理化学研究所、船舶重工 712 所、德阳东深 新能源科技公司等单位以及相关大学院校等,并且已经分别 完成符合自身科研需要的原理机,功率型号分别有 1kW、 5kW、50kW、100kW 等。同时,据相关报道,国内已有学 术研究机构与企业合作推出了电动车铝空气电池,能量密度 达到 350Wh/kg 以上, 电池实现了集成化, 容量达到 5000Ah 以上,可进行商业化应用。此外,铝空气电池在国防军事领 域,以及一些特殊环境下的移动电源、备用电源领域等,已 经进行了小规模产业化,但总体需求较小。 国外以色列 Phinergy 公司在空气电池方面具有一定的 专长,于 2013 年 6 月宣布研发出了电动汽车专用的铝空气 电池,充电一次可使电动汽车行驶历程达到 1600 公里。此 款电池的阳极由 50 块铝板组成(总重 25 千克),每一块铝板 所提供的能量可供电动汽车行驶 32 公里。2014 年 2 月美铝 与 Phinergy 公司就铝空气电池进一步研发问题签订了联合 开发协议,并于 6 月前后在蒙特利尔一级方程式赛道上对铝 空气电池电动汽车进行了试驾,计划于 2017 年实现电动汽 车专用铝空气电池的批量生产。 二、铝空气电池在汽车领域的应用前景及面临的问题 铝空气电池具备比能量大、成本较低、更换方便、绿色 环保等特点,在电动汽车领域有着较好的应用前景。
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(一)铝空气电池在应用于汽车领域的优势 1.运行成本与燃油汽车成本相当 铝空气电池电动汽车百公里约消耗 3 公斤铝、5 升水, 按 15000 元/吨铝价及 3000 元铝加工费计算,铝耗成本为 54 元,电解液成本按 1 元/升计,则铝空气电池汽车每百公 里铝耗及成本约为 59 元;一般小型燃油汽车百公里油耗约 为 8 升,按当前每升汽油 7.63 元计算,每百公里运行成本 约为 61 元。 2.续航能力高于锂离子电池电动汽车 铝空气电池实际比能量可达到 350-500Wh/kg,约是锂 离子电池 120-150Wh/kg 的 3 倍,即同样质量情况下,铝空 气电池携带电量可达到锂离子电池的 3 倍,续航里程相应 3 倍于锂离子电池汽车。 以北汽生产的 E150 纯电动汽车为例, 其锂离子电池携带电量 26kWh, 若将其更换为同样质量的铝 空气电池,则可携带电量 78kWh,续航里程可达到 390 公 里,与燃油汽车续航里程相当。 3.制造铝空气电池成本较低 当前主要采用能够储存单位电量电池的成本(制造电池 成本除以电池能够储存的电量)来衡量制造不同类型电池成 本的高低。根据相关信息,制造铝空气电池的成本约为 500 元/kWh, 即制造能够储存 1kWh 电量的铝空气电池需要 500 元的成本,是制造锂离子电池成本 4000 元/kWh 的 1/8。

金属空气电池与现有动力电池的比较
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电池类型 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 铝空气电池

重量能量密度 (Wh/kg) 30-40 50-60 80-90 120-150 350-500

体积能量密度 (Wh/l) 120 110 150-200 210 600

功率密度 (W/kg) 200-400 200-400 400-1200 400-1000 100-200

循环寿命 (次) 500 1000 1000 1000 >1000

成本 (元/Wh) 0.7 2.5 4.0 4.0 0.5

4.铝空气电池更换方便 铝空气电池放电时主要消耗的是铝及水,铝空气电池在 电动汽车领域应用时,运行过程中只需更换铝板,并添加适 量水,操作简单,从操作时间和简易程度上能够达到燃油汽 车加油同样的效果,比蓄电池充电节约大量时间。 5.电池绿色环保 铝空气电池运行期间主要副产物是氢氧化铝(氧化铝) , 对环境无害,且利于循环利用,据相关机构估算,其循环利 用成本低于 10 元/kg。较之目前燃油汽车的废气污染、锂离 子电池汽车的重金属污染等,具有环境友好特点。 (二)汽车用铝空气电池产业化存在的主要问题 1.铝空气电池产业化技术存在优化空间 一是铝空气电池应用时需要依据电动汽车的运行环境, 建立复杂的电源管理系统;二是电池放电过程中会产生偏铝 酸盐,在产业化生产及应用中应优化其消除工艺;三是铝空 气电池比功率较小、电压滞后,其产业化应用需要进一步优 化。 2.铝空气电池科研机构产业化动力较小 目前开展铝空气电池研究的主要是科研院所及大学等 机构, 其研究目的在于技术路线的走通, 完成科研项目目标,
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对于技术路线走通之后的技术指标优化、大规模生产等产业 化问题缺乏研究积极性。 3.铝空气电池成本方面的问题 科研试验过程中使用的铝空气电池,电池放电时,每产 生一度电的铝消耗指标较高(500-700g) ,需要进一步优化 并稳定在 150g 左右。同时,铝空气电池运行过程中的主要 耗材——铝,市场价格波动较大,不利于铝空气电池的成本 控制。 三、汽车用铝空气电池显著增加铝消费量,对化解产能 过剩具有重大意义 铝空气电池对化解铝产能过剩的作用主要体现在汽车 运行过程中对铝的消耗方面,按照我国目前的汽车产量和汽 车保有量,汽车运行通过铝空气电池对铝的潜在市场需求是 巨大的。 根据相关信息,目前普通小型汽车(自重约 1.3 吨)运 行 100 公里需要消耗约 3 公斤铝,按照每辆车每年运行 15000 公里估算,每辆车每年通过铝空气电池对铝形成的潜 在需求约 450 公斤。据统计,我国 2013 年汽车产量为 2211.68 万辆,汽车用铝空气电池若能够实现产业化,并对 每年的汽车生产量实现 100%能源替代,则年新增汽车量通 过铝空气电池产生的铝的需求量为 995.3 万吨,约占 2013 年国内铝消费量 2480 万吨的 40%。同时,从国内汽车存量 角度看,2013 年我国汽车保有量已达 1.37 亿辆,汽车用铝 空气电池若经过几年后实现对燃油能源的完全替代, 则 1.37
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亿辆汽车保有量的整体市场规模将通过铝空气电池对铝形 成每年约 6165 万吨的市场需求, 是 2013 年我国铝消费量的 2.5 倍。
2013 年我国汽车产量、保有量通过铝空气电池对铝形成的潜在需求 类别 数量(万辆) 潜在需求(万吨) 占当年铝消费量比例 备注 汽车产量 2211.68 995.3 40.1% 每辆车每年运 行里程按 15000 汽车保有量 13700 6165 248.6% 公里计算

可以看出,铝空气电池在电动汽车领域的产业化应用, 将为铝的应用开辟新的市场空间,成为铝消费增长的主要发 动机,并将使铝行业焕发新的市场活力,对化解我国电解铝 产能过剩具有重大意义。 四、结论与建议 尽管铝空气电池在电动汽车中的实际应用,可能还有一 些产业化问题需要攻克,但汽车用铝空气电池具有绿色环保、 续航能力强、运行成本低等特点,市场开发前景良好,其研 发成功将极大促进铝消费量,为整个铝行业的市场需求开辟 一个新的巨大市场。同时,汽车用铝空气电池比原铝或一般 铝合金板具有更高的附加值,符合国家鼓励铝行业发展高附 加值应用的方向。国家相关主管部门、有色金属行业协会应 积极组织协调行业相关企业及科研院所,加强与国内外铝空 气电池研发单位、电动汽车生产企业等之间的沟通交流,积 极探索合作的可行性和相关机制,推进汽车用铝空气电池的 产业化,为铝行业开拓出新的市场发展空间。

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