军事装备制作中铝空气电池的运用分析

　　摘 要 装备的信息化和智能化增加对电能的需求和依赖，大力发展能量密度高、可靠性好、隐蔽性好的军用电源技术势在必行。铝空气电池由于比能量高、结构设计灵活、环境适应性强而备受关注。综述铝空气电池的技术瓶颈及在水下电源、备用电源、救灾应急电源、单兵电源、车载电源、无人机电源等装备领域的应用现状和前景。
　　
　　关键词 铝空气电池；装备领域；应用；综述。
　　
　　Abstract The informatization and intellectualization of weapon equipment increase the demand and dependence on electricity. Itis imperative to develop new military power source with high energy density,outstanding reliability and good concealment.Aluminum air battery has recently attracted much attention due to its high energy density,structural design flexibility andenvironmental adaptability. The technical bottleneck of aluminum air battery and its application status and prospects for militaryuse are summarized,such as underwater power supply,standby power supply,emergency power supply,individual weaponpower supply,armored vehicle power supply and unmanned aerial vehicle power supply.
　　
　　Keywords aluminum air battery;military use;application;review.
　　
　　科技的迅猛发展推动了装备的信息化和智能化，同时也增加了对电能的需求和依赖。以单兵装备为例，集成了夜视仪、通信装置和自适应环境隐身功能的智能头盔能够大幅提高单兵作战能力，但是也提高了单兵功耗。目前，我国装备使用的电源仍然来自民用技术，对军方特殊要求考虑较少。军用电源除了要考虑成本、使用寿命、安全性等因素外，还要顾及其他一些问题，如电源的热特征、工作环境以及军事行动的其他特殊要求。大力发展能量密度高、可靠性好、隐蔽性好的军用电源技术势在必行。铝空气电池由于比能量高、结构设计灵活、环境适应性强，是一类很有前景的军用电源[1-3].
　　
　　1 铝空气电池的原理及特点。
　　
　　铝空气电池是以高纯度铝（含铝99.99%）或铝合金为负极（阳极）、空气中的氧为正极（阴极），以KOH和NaOH等强碱或者NaCl和NH4Cl的盐溶液为电解质的一种金属空气电池。铝和氧在电池放电时通过电极反应转化为氧化铝，其电池反应式为：
　　
　　4Al（s）+3O2（g）+6H2O（aq）+4OH-（aq）=4Al（OH）-4（aq）。
　　
　　铝空气电池是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。因为电池的结构以及使用的原材料可根据不同使用环境和要求而变动，所以该类电池具有很大的适应性，既能用于陆地，也能用于深海，既能作长寿命、高比能的信号电池，又能做动力电池，有很广阔的应用前景[4-6].除此之外，能量密度大是铝空气电池的另一个显着优势，其比能量理论值达到8 500 W·h/kg[7-8].虽然目前技术能获得的实际比能量只达到350 W·h/kg,不及其理论值的5%,但已经是铅酸电池的7~8倍、镍氢电池的5.8倍、锂电池的2.3倍。这种电池应用在单兵装备、装甲车辆等特殊领域能够减轻整备质量，提高机动性。
　　
　　2 铝空气电池在装备领域的应用。
　　
　　铝空气电池除了和其他电池一样可用于电视广播、航海航标灯、矿井照明等民用领域外，由于其自身的特点，特别适合用于以下装备领域，或者在以下领域具备应用前景。
　　
　　2.1 水下电源。
　　
　　铝空气电池作为水下电源使用具有巨大优势，其以海水作为电解质，以海水中溶解的氧做正极，这样除了负极材料铝以外的全部反应物都来源于海水，反应产物也直接排入海洋。由于海水中没有足够的氧，必须设计具有足够大面积的电极与海水接触。一个思路是设计成电缆形状，以铝芯作负极，外层为正极材料，使用时放置在海水中[9].据报道，这种电池质量比能量可以达到640 W·h/kg.挪威国防研究所、美国水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司早在上世纪80年代就着手研究将铝空气电池应用于UUV（无人水下航行器）、AUV（自主水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP潜艇的可能性，其中挪威的HUGIN系列UUV和AUV采用的HUGIN3000和HUGIN4500电池，携带电能分别为45 kW·h和60 kW·h,续航能力达到60 h.另外，美国已经有铝空气电池作为水下电源，用于舰艇、监视器、远距鱼雷和潜水设施能源的报道。
　　
　　2.2 备用电源。
　　
　　铝空气电池可以设计成储备式电池，正负极分开，激活前能够稳定存放数十年，注入电解质后才被激活，其性能稳定、噪音低、维护成本低，可以用作发电机组和其他蓄电池的备用电源，为无人哨站、边远地区的通讯设备提供电力。这类电池通常设计成上部电堆、下部电解池的结构，使用时由送液泵将电解液送入电堆进行电池反应，电解液由于自重在电堆和电解池中循环，沉淀物自动沉降于电解池中[10].为提高电池的效率和稳定性，一般配有冷却系统和空气循环系统。电解液经过热交换器（冷源是冷却风扇提供的空气流）进行温度控制，避免电堆过热，而所需的空气由鼓风机通过过滤器吹到阴极表面然后排出。某哨站采用的3kW铝空电池在无人看管状态下可运行48 h以上。
　　
　　2.3 救灾应急电源。
　　
　　铝空气电池比能量大，可用盐水作为电解质，携带和操作方便，特别适合用作便携式救灾应急电源[11].根据使用要求不同，可以设计成不同功率、不同结构，小到一次性投放的示警和标识电源，大到给其他便携电池充电的充电电源，都可以使用铝空气电池，其比能量能够达到Cd-Ni电池或铅蓄电池的9~15倍。目前，在军用便携应急电源领域应用最为广泛的铝空气电池，设计功率在3.0~3.6 kW,工作时间在8~300 h.
　　
　　2.4 单兵电源。
　　
　　单兵作战系统是构成数字化特种部队的重要支柱。单兵作战系统是单兵防护、单兵战斗武器和单兵通信器材的集成，过去20年间，电源容量虽然提高了3倍，但是由于单兵作战系统的发展，单兵功耗提高了近20倍。有评估表明，一名在阿富汗执行一个典型的72 h任务的美军士兵，维持自身电子装备运作所携带的电池质量占军人负重的20%,主要为其武器瞄具、夜视装备、导航设备和个人电台供电。单兵装备电源的要求不断增长，虽然便携式电池技术在发展，但仍然赶不上需要[12].目前，国内外在单兵电源系统研制方面开展了大量工作，推出若干单兵电源产品，有美国“陆地勇士”的锂离子电池、英国ABSL公司研发的便携式可折叠太阳能电池、德国Smart fuel cell公司研发的甲醇燃料电池、澳大利亚Commonwealth公司研发的甲醇燃料电池以及美国Arotech公司研发的可穿戴式锌空气电池等[13].目前，鲜见铝空气电池列装单兵电源的报道，但是其原理与锌空气电池类似，比能量高于锌空气电池，不排除将来应用于单兵电源的可能。