摘 要 裝備的信息化和智能化增加對電能的需求和依賴，大力發展能量密度高、可靠性好、隱蔽性好的軍用電源技術勢在必行。鋁空氣電池由于比能量高、結構設計靈活、環境適應性強而備受關注。綜述鋁空氣電池的技術瓶頸及在水下電源、備用電源、救災應急電源、單兵電源、車載電源、無人機電源等裝備領域的應用現狀和前景。
關鍵詞 鋁空氣電池；裝備領域；應用；綜述。
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.
科技的迅猛發展推動了裝備的信息化和智能化，同時也增加了對電能的需求和依賴。以單兵裝備為例，集成了夜視儀、通信裝置和自適應環境隱身功能的智能頭盔能夠大幅提高單兵作戰能力，但是也提高了單兵功耗。目前，我國裝備使用的電源仍然來自民用技術，對軍方特殊要求考慮較少。軍用電源除了要考慮成本、使用壽命、安全性等因素外，還要顧及其他一些問題，如電源的熱特征、工作環境以及軍事行動的其他特殊要求。大力發展能量密度高、可靠性好、隱蔽性好的軍用電源技術勢在必行。鋁空氣電池由于比能量高、結構設計靈活、環境適應性強，是一類很有前景的軍用電源[1-3].
1 鋁空氣電池的原理及特點。
鋁空氣電池是以高純度鋁（含鋁99.99%）或鋁合金為負極（陽極）、空氣中的氧為正極（陰極），以KOH和NaOH等強堿或者NaCl和NH4Cl的鹽溶液為電解質的一種金屬空氣電池。鋁和氧在電池放電時通過電極反應轉化為氧化鋁，其電池反應式為：
4Al（s）+3O2（g）+6H2O（aq）+4OH-（aq）=4Al（OH）-4（aq）。
鋁空氣電池是一種無污染、長效、穩定可靠的電源。因為電池的結構以及使用的原材料可根據不同使用環境和要求而變動，所以該類電池具有很大的適應性，既能用于陸地，也能用于深海，既能作長壽命、高比能的信號電池，又能做動力電池，有很廣闊的應用前景[4-6].除此之外，能量密度大是鋁空氣電池的另一個顯著優勢，其比能量理論值達到8 500 W·h/kg[7-8].雖然目前技術能獲得的實際比能量只達到350 W·h/kg,不及其理論值的5%,但已經是鉛酸電池的7~8倍、鎳氫電池的5.8倍、鋰電池的2.3倍。這種電池應用在單兵裝備、裝甲車輛等特殊領域能夠減輕整備質量，提高機動性。
2 鋁空氣電池在裝備領域的應用。
鋁空氣電池除了和其他電池一樣可用于電視廣播、航海航標燈、礦井照明等民用領域外，由于其自身的特點，特別適合用于以下裝備領域，或者在以下領域具備應用前景。
2.1 水下電源。
鋁空氣電池作為水下電源使用具有巨大優勢，其以海水作為電解質，以海水中溶解的氧做正極，這樣除了負極材料鋁以外的全部反應物都來源于海水，反應產物也直接排入海洋。由于海水中沒有足夠的氧，必須設計具有足夠大面積的電極與海水接觸。一個思路是設計成電纜形狀，以鋁芯作負極，外層為正極材料，使用時放置在海水中[9].據報道，這種電池質量比能量可以達到640 W·h/kg.挪威國防研究所、美國水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司早在上世紀80年代就著手研究將鋁空氣電池應用于UUV（無人水下航行器）、AUV（自主水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP潛艇的可能性，其中挪威的HUGIN系列UUV和AUV采用的HUGIN3000和HUGIN4500電池，攜帶電能分別為45 kW·h和60 kW·h,續航能力達到60 h.另外，美國已經有鋁空氣電池作為水下電源，用于艦艇、監視器、遠距魚雷和潛水設施能源的報道。
2.2 備用電源。
鋁空氣電池可以設計成儲備式電池，正負極分開，激活前能夠穩定存放數十年，注入電解質后才被激活，其性能穩定、噪音低、維護成本低，可以用作發電機組和其他蓄電池的備用電源，為無人哨站、邊遠地區的通訊設備提供電力。這類電池通常設計成上部電堆、下部電解池的結構，使用時由送液泵將電解液送入電堆進行電池反應，電解液由于自重在電堆和電解池中循環，沉淀物自動沉降于電解池中[10].為提高電池的效率和穩定性，一般配有冷卻系統和空氣循環系統。電解液經過熱交換器（冷源是冷卻風扇提供的空氣流）進行溫度控制，避免電堆過熱，而所需的空氣由鼓風機通過過濾器吹到陰極表面然后排出。某哨站采用的3kW鋁空電池在無人看管狀態下可運行48 h以上。
2.3 救災應急電源。
鋁空氣電池比能量大，可用鹽水作為電解質，攜帶和操作方便，特別適合用作便攜式救災應急電源[11].根據使用要求不同，可以設計成不同功率、不同結構，小到一次性投放的示警和標識電源，大到給其他便攜電池充電的充電電源，都可以使用鋁空氣電池，其比能量能夠達到Cd-Ni電池或鉛蓄電池的9~15倍。目前，在軍用便攜應急電源領域應用最為廣泛的鋁空氣電池，設計功率在3.0~3.6 kW,工作時間在8~300 h.
2.4 單兵電源。
單兵作戰系統是構成數字化特種部隊的重要支柱。單兵作戰系統是單兵防護、單兵戰斗武器和單兵通信器材的集成，過去20年間，電源容量雖然提高了3倍，但是由于單兵作戰系統的發展，單兵功耗提高了近20倍。有評估表明，一名在阿富汗執行一個典型的72 h任務的美軍士兵，維持自身電子裝備運作所攜帶的電池質量占軍人負重的20%,主要為其武器瞄具、夜視裝備、導航設備和個人電臺供電。單兵裝備電源的要求不斷增長，雖然便攜式電池技術在發展，但仍然趕不上需要[12].目前，國內外在單兵電源系統研制方面開展了大量工作，推出若干單兵電源產品，有美國“陸地勇士”的鋰離子電池、英國ABSL公司研發的便攜式可折疊太陽能電池、德國Smart fuel cell公司研發的甲醇燃料電池、澳大利亞Commonwealth公司研發的甲醇燃料電池以及美國Arotech公司研發的可穿戴式鋅空氣電池等[13].目前，鮮見鋁空氣電池列裝單兵電源的報道，但是其原理與鋅空氣電池類似，比能量高于鋅空氣電池，不排除將來應用于單兵電源的可能。
關鍵詞 鋁空氣電池；裝備領域；應用；綜述。
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.
科技的迅猛發展推動了裝備的信息化和智能化，同時也增加了對電能的需求和依賴。以單兵裝備為例，集成了夜視儀、通信裝置和自適應環境隱身功能的智能頭盔能夠大幅提高單兵作戰能力，但是也提高了單兵功耗。目前，我國裝備使用的電源仍然來自民用技術，對軍方特殊要求考慮較少。軍用電源除了要考慮成本、使用壽命、安全性等因素外，還要顧及其他一些問題，如電源的熱特征、工作環境以及軍事行動的其他特殊要求。大力發展能量密度高、可靠性好、隱蔽性好的軍用電源技術勢在必行。鋁空氣電池由于比能量高、結構設計靈活、環境適應性強，是一類很有前景的軍用電源[1-3].
1 鋁空氣電池的原理及特點。
鋁空氣電池是以高純度鋁（含鋁99.99%）或鋁合金為負極（陽極）、空氣中的氧為正極（陰極），以KOH和NaOH等強堿或者NaCl和NH4Cl的鹽溶液為電解質的一種金屬空氣電池。鋁和氧在電池放電時通過電極反應轉化為氧化鋁，其電池反應式為：
4Al（s）+3O2（g）+6H2O（aq）+4OH-（aq）=4Al（OH）-4（aq）。
鋁空氣電池是一種無污染、長效、穩定可靠的電源。因為電池的結構以及使用的原材料可根據不同使用環境和要求而變動，所以該類電池具有很大的適應性，既能用于陸地，也能用于深海，既能作長壽命、高比能的信號電池，又能做動力電池，有很廣闊的應用前景[4-6].除此之外，能量密度大是鋁空氣電池的另一個顯著優勢，其比能量理論值達到8 500 W·h/kg[7-8].雖然目前技術能獲得的實際比能量只達到350 W·h/kg,不及其理論值的5%,但已經是鉛酸電池的7~8倍、鎳氫電池的5.8倍、鋰電池的2.3倍。這種電池應用在單兵裝備、裝甲車輛等特殊領域能夠減輕整備質量，提高機動性。
2 鋁空氣電池在裝備領域的應用。
鋁空氣電池除了和其他電池一樣可用于電視廣播、航海航標燈、礦井照明等民用領域外，由于其自身的特點，特別適合用于以下裝備領域，或者在以下領域具備應用前景。
2.1 水下電源。
鋁空氣電池作為水下電源使用具有巨大優勢，其以海水作為電解質，以海水中溶解的氧做正極，這樣除了負極材料鋁以外的全部反應物都來源于海水，反應產物也直接排入海洋。由于海水中沒有足夠的氧，必須設計具有足夠大面積的電極與海水接觸。一個思路是設計成電纜形狀，以鋁芯作負極，外層為正極材料，使用時放置在海水中[9].據報道，這種電池質量比能量可以達到640 W·h/kg.挪威國防研究所、美國水下武器研究中心、加拿大的Aluminum Power公司早在上世紀80年代就著手研究將鋁空氣電池應用于UUV（無人水下航行器）、AUV（自主水下航行器）、DSRV（深海救援艇）和AIP潛艇的可能性，其中挪威的HUGIN系列UUV和AUV采用的HUGIN3000和HUGIN4500電池，攜帶電能分別為45 kW·h和60 kW·h,續航能力達到60 h.另外，美國已經有鋁空氣電池作為水下電源，用于艦艇、監視器、遠距魚雷和潛水設施能源的報道。
2.2 備用電源。
鋁空氣電池可以設計成儲備式電池，正負極分開，激活前能夠穩定存放數十年，注入電解質后才被激活，其性能穩定、噪音低、維護成本低，可以用作發電機組和其他蓄電池的備用電源，為無人哨站、邊遠地區的通訊設備提供電力。這類電池通常設計成上部電堆、下部電解池的結構，使用時由送液泵將電解液送入電堆進行電池反應，電解液由于自重在電堆和電解池中循環，沉淀物自動沉降于電解池中[10].為提高電池的效率和穩定性，一般配有冷卻系統和空氣循環系統。電解液經過熱交換器（冷源是冷卻風扇提供的空氣流）進行溫度控制，避免電堆過熱，而所需的空氣由鼓風機通過過濾器吹到陰極表面然后排出。某哨站采用的3kW鋁空電池在無人看管狀態下可運行48 h以上。
2.3 救災應急電源。
鋁空氣電池比能量大，可用鹽水作為電解質，攜帶和操作方便，特別適合用作便攜式救災應急電源[11].根據使用要求不同，可以設計成不同功率、不同結構，小到一次性投放的示警和標識電源，大到給其他便攜電池充電的充電電源，都可以使用鋁空氣電池，其比能量能夠達到Cd-Ni電池或鉛蓄電池的9~15倍。目前，在軍用便攜應急電源領域應用最為廣泛的鋁空氣電池，設計功率在3.0~3.6 kW,工作時間在8~300 h.
2.4 單兵電源。
單兵作戰系統是構成數字化特種部隊的重要支柱。單兵作戰系統是單兵防護、單兵戰斗武器和單兵通信器材的集成，過去20年間，電源容量雖然提高了3倍，但是由于單兵作戰系統的發展，單兵功耗提高了近20倍。有評估表明，一名在阿富汗執行一個典型的72 h任務的美軍士兵，維持自身電子裝備運作所攜帶的電池質量占軍人負重的20%,主要為其武器瞄具、夜視裝備、導航設備和個人電臺供電。單兵裝備電源的要求不斷增長，雖然便攜式電池技術在發展，但仍然趕不上需要[12].目前，國內外在單兵電源系統研制方面開展了大量工作，推出若干單兵電源產品，有美國“陸地勇士”的鋰離子電池、英國ABSL公司研發的便攜式可折疊太陽能電池、德國Smart fuel cell公司研發的甲醇燃料電池、澳大利亞Commonwealth公司研發的甲醇燃料電池以及美國Arotech公司研發的可穿戴式鋅空氣電池等[13].目前，鮮見鋁空氣電池列裝單兵電源的報道，但是其原理與鋅空氣電池類似，比能量高于鋅空氣電池，不排除將來應用于單兵電源的可能。
