署名作者： 唐云晴, 陈兴元, 徐铮, 刘晨帆, 张亮亮, 刘平安 作者单位：
哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院, 黑龙江 哈尔滨, 150001 基金项目：1.中央高校基本科研业务费专项基金资助(3072023CFJ0202, 3072022JC0201); 2.海洋防务创新基金项目(JJ-2022-712-01).
随着海洋活动的增多和无人水下航行器(UUV)的不断发展, 对水下动力电源的需求日益增加。Al具有高比容、高电化学活性以及低成本等优点, 是一种极具发展前景的阳极材料。以Al合金为阳极、析氢材料为阴极、海水为电解液的Al-水电池的比能量和比功率分别可达400 Wh/kg和35 W/L, 被广泛应用于航天、汽车及军事等不同领域。文中阐述了Al-水电池的工作原理; 归纳了近期Al合金阳极、析氢阴极以及电解液材料的研究进展; 概括了Al-水电池样机的发展历程及现阶段存在的问题; 列举了Al-水电池在UUV、水下能源站及水下预置武器系统等方面的应用; 最后, 分析了Al-水电池的优缺点以及未来的发展方向, 以期对未来应用于UUV、海上浮标及水下工作站等水下装备的Al-水电池的研究发展提供参考。
随着海洋勘探、海底资源开发和水下无人系统的发展, 对能量密度高、寿命长及可重复使用的水下电源的需求也日益增加。近些年, 应用于水下装置的储能电池吸引了诸多学者的注意力。Li离子电池作为现今被广泛应用的一种可重复充电电池, 展现出高能量密度和良好的稳定性, 但是其造价高、安全性低等问题仍有待解决[1-2]。Na-S电池解决了成本高的问题, 但其较高的工作温度(300 ℃)一定程度上降低了电池的效率并导致电池材料性能退化, 从而限制了Na-S电池的应用[3]。Zn无毒、安全且价格低廉, 但Zn阳极的不稳定性大大限制了其应用[4]。Al作为一种金属材料, 具有高质量比容、高体积比容、高电化学活性及易加工等优点。此外, 金属Al储量丰富、易获取, 很大程度上降低了电池的成本, 所以, Al是一种很有前景的电池阳极材料。 近些年, Al基电池的研究成果不断出现, 如Al离子电池、Al-空气电池、Al-Cl2电池、Al熔盐电池和Al-S电池等。相比之下, 针对于Al-水电池的研究较为缺乏。Al-水电池以Al合金为阳极, 低析氢电位材料为阴极, 海水作为氧化剂和电解液, 无需携带氧气[5]。电池在工作过程中, 不仅产生电能, 而且可将在阴极产生的氢气收集起来, 作为原料提供给水下动力推进系统的氢氧燃料电池用来产生电能[7]。研究表明, Al-水电池的比能量和比功率分别可达400~800 Wh/kg和35~100 W/L[5], 可以满足无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)的航行要求。 针对此, 文中从Al-水电池的工作原理, 阳极、阴极和电解质材料, Al-水电池的应用等方面对Al-水电池的研究进展以及未来发展进行综述, 可为未来应用于UUV、海上浮标和水下工作站等水下装备的Al-水电池研究发展提供参考。 Al-水电池具有比能高、体积小、易携带且成本低等特点, 是非常有发展前景的水下设备动力电源。文中综述了近年来针对高活性、高抗腐蚀性的Al阳极材料的研究进展, 列举了对电解液和高活性析氢阴极的研究成果, 归纳了Al-水电池自20世纪80年代至今的发展历程及在UUV、水下能源站和水下预置武器系统等方面的应用前景。针对Al-水电池的Al阳极自腐蚀、功率小等不足, 提出了未来Al-水电池研究应着重于开发高活性、低自腐蚀速率的Al合金材料, 优化电解液循环系统, 结合氢燃料电池使用等发展方向。 参考文献略 文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2023年第31卷第5期，点击阅读原文可查看。
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