[科普中國(guó)]-海水電池

海水電池是泛指以海水作為電解質(zhì)的電池。一般是指在海洋環(huán)境中的以海水作為電解質(zhì)的化學(xué)電源。根據(jù)海水電池的構(gòu)成，其最突出的特點(diǎn)就是不需要攜帶電解質(zhì)，可以在需要的時(shí)候利用天然海水形成電解液，基于這樣一種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，海水電池具有許多突出的優(yōu)勢(shì)。

海水電池的原理及特點(diǎn)海水電池是泛指以海水作為電解質(zhì)的電池。一般是指在海洋環(huán)境中的以海水作為電解質(zhì)的化學(xué)電源。1電解質(zhì)是電池的重要構(gòu)成部分，其作用主要是保證電極反應(yīng)中的離子定向移動(dòng)，形成穩(wěn)定持續(xù)的電流。電解質(zhì)有多種形式，如固體、膠體和液體等，液體電解質(zhì)有水溶液、有機(jī)溶劑和熔鹽等，海水屬于鹽溶液，其成分主要是3.5%左右的NaCI，還有少量的Mg2+、Ca2+、SO42-、HCO3-和少量的溶解氣體如氧氣和二氧化碳等等，從組成看，由于含有固定比例的離子，其電導(dǎo)性是滿足電池電解質(zhì)的基本要求的。根據(jù)海水電池的構(gòu)成，其最突出的特點(diǎn)就是不需要攜帶電解質(zhì)，可以在需要的時(shí)候利用天然海水形成電解液，基于這樣一種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，海水電池具有了如下突出的優(yōu)勢(shì)：

（1）不需要攜帶電解液及專門的貯存及控制裝置，首先減少了電池的重量，直接提高了電池的單位能量密度。

（2）避免了攜帶液態(tài)電解液引起的一系列問(wèn)題，如貯存容器及貯存穩(wěn)定性和安全性，電解液的低溫結(jié)冰流動(dòng)困難，使相關(guān)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。

（3）電解液是流動(dòng)更新的海水，在一定程度上消除了反應(yīng)物對(duì)電極產(chǎn)生的極化，有利于電極放電性能的平穩(wěn)，電極反應(yīng)容易達(dá)到熱力學(xué)平衡，提高了電極的效率。

（4）整個(gè)電池相對(duì)海水是一個(gè)開(kāi)放體系，與海水外壓相平衡，電池不需要置于特殊的耐壓容器，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，通過(guò)海水流動(dòng)還可以進(jìn)行熱交換，帶出電極反應(yīng)釋放的熱量，控制了電池體系的溫度，可顯著提高安全性。

（5）由于為開(kāi)放體系，電池放電性能隨海水深度變化的幅度不明顯，適合在不同深度中使用。

（6）通過(guò)電極材料的選配，可以開(kāi)發(fā)出不同種類的電池，適應(yīng)面廣，具有較高的性價(jià)比。

但海水電池自身特點(diǎn)也帶來(lái)一些不利因素：

（1）海水的溫度、鹽度和流速等對(duì)電池放電性能有一定的影響，這一問(wèn)題在研究大功率動(dòng)力電池中是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

（2）一般需要比較復(fù)雜的電解液控制系統(tǒng)，包括海水進(jìn)入、分配以及排除系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)和氣液分離系統(tǒng)等，而且這一系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響電池性能。

（3）由于使用如溶氧等作陰極材料，為了保證一定的電流密度，其陰極面積要求比較大，電池體積龐大。

海水電池研究現(xiàn)狀出于不同使用目的，海水電池有多種電池類型，如大功率水下武器裝備的動(dòng)力電池、長(zhǎng)周期小功率的水中探測(cè)儀器類電池、水下航行體的動(dòng)力電池—半燃料海水電池等，這些不同目的電池，由于均采用或部分采用海水作為電池的電解液，因此將它們均歸于海水電池類，但這些電池從電化學(xué)原理到結(jié)構(gòu)均存在本質(zhì)區(qū)別，因此有必要詳細(xì)討論不同海水電池的具體原理、構(gòu)造及特點(diǎn)等。2

小功率金屬腐蝕海水電池低功率海水電池出現(xiàn)較早，研究這類電池的目標(biāo)是尋找具有合理的結(jié)構(gòu)，相對(duì)低廉的造價(jià)，適合在不同深度的海水中使用的電池。美國(guó)海軍出于軍事目的進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究，但結(jié)果沒(méi)有公開(kāi)。隨著各種電子探測(cè)設(shè)備的小型化和低功率化，這一領(lǐng)域又引起了人們的注意?，F(xiàn)在一般認(rèn)為海水電池比較適合于在海洋環(huán)境中提供長(zhǎng)時(shí)間低功率的電源，這一特點(diǎn)使它在為海洋探測(cè)裝置提供電源方面創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。目前這方面還大多使用鏗電池和福鎳電池，銼電池比較昂貴且在海水中使用的壽命和安全性有待提高，而錫鎳電池盡管性能良好，但對(duì)環(huán)境有影響，這兩類電池的使用均需要置于特定的耐壓容器之中，整體技術(shù)要求比較高。對(duì)海水電池的研究表明，選擇合適的電對(duì)，在與海水開(kāi)放的條件下，能夠提供1.0V左右的電壓，這一結(jié)果基本能夠滿足小型探測(cè)元件的要求，海水電池是依靠負(fù)極金屬材料在海水中的腐蝕溶解提供陽(yáng)極放電電流，而正極則主要依靠海水中的溶解氧在惰性氣體電極上進(jìn)行還原反應(yīng)提供正極電流，維持時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，造價(jià)和結(jié)構(gòu)均容易接受，因此具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。

電池陰極相當(dāng)于一個(gè)氣體電極，需要適合的導(dǎo)電材料，研究的對(duì)象包括石墨、銅和不銹鋼。石墨能夠得到比銅和不銹鋼更大的開(kāi)路電位，但本身太脆，需要設(shè)計(jì)一個(gè)固定的結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化陰極結(jié)構(gòu)。由于海水中的溶氧有限，電對(duì)的電流比較小，為了保證足夠的電流，需要較大面積的陰極;當(dāng)然也可以通過(guò)提高海水的堿性來(lái)增加電池的電流密度，如添加KOH溶液，但堿性增強(qiáng)后，會(huì)導(dǎo)致陰極電極附近產(chǎn)生不溶性的鹽如Mg(OH)2和Ca(OH)2等，這會(huì)降低電極的電性能，所以在考慮海水電池電解質(zhì)時(shí)，要保證足夠的溶氧濃度，這一點(diǎn)是十分重要的。在保證足夠大的面積和緊密的結(jié)構(gòu)下，銅和不銹鋼是陰極的理想材料。在淺水條件下，不銹鋼表面在1~3周后形成有益的生物膜比銅性能更好。在深水中（大于2000m），并沒(méi)有充分的證據(jù)表明銅表面形成的生物膜是有益的。3

半燃料電池水下航行器的研制是水中兵器發(fā)展的方向，作為它的動(dòng)力電源需要考慮多種因素，其中所選用燃料的安全性、費(fèi)效比、燃料加注的難易程度以及系統(tǒng)調(diào)試控制維護(hù)需要的時(shí)間等都是重點(diǎn)要考慮的問(wèn)題，在這些方面半燃料電池具有一定的優(yōu)勢(shì)，其中Al/H2O2半燃料電池已經(jīng)成功作為美海軍的1.1m長(zhǎng)的無(wú)人水下航行器Hugin l的動(dòng)力電源圖。挪威防衛(wèi)研究機(jī)構(gòu)主持的UUV漂浮式試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了海上試驗(yàn)，結(jié)果表明，其使用的同類電池基本滿足要求，證實(shí)了Al/H2O2半燃料電池在無(wú)人水下航行器動(dòng)力電源方面的應(yīng)用具有較高的可行性。應(yīng)用于小型水下航行體的典型動(dòng)力電池為Al/H2O2電池。

大功率動(dòng)力電池此類電池最為成功的是魚(yú)雷動(dòng)力電池?，F(xiàn)代魚(yú)雷出于提高電池能量密度的目的，常常使用以海水為電解質(zhì)的動(dòng)力電池，這樣可以減少攜帶重量，顯著提高電池的能量密度閉。如目前已經(jīng)得到實(shí)用的Mg/AgCI海水電池、Al/AgO海水電池和Mg/CuCI海水電池，這些電池與前面基于腐蝕溶解的小功率海水電池完全不同，一般使用更加活潑的電極電位更低的金屬材料作陽(yáng)極，以循環(huán)流動(dòng)海水作電解液，一方面排除電極產(chǎn)物，防止電極表面極化，同時(shí)也帶走一部分電池反應(yīng)釋放出的熱量，控制電池的溫度。根據(jù)陽(yáng)極金屬材料的不同，電解質(zhì)也有所不同。合金化鎂陽(yáng)極的活性能夠保證在中性的海水中溶解迅速，提供大的電流密度，因此鎂陽(yáng)極一般直接使用海水作為電解質(zhì)，如Mg/AgCI海水電池和Mg/CuCI海水電池。由于鋁陽(yáng)極表面的鈍化膜阻礙了其基體的溶解，使得鋁合金在中性海水介質(zhì)中無(wú)法保證足夠的溶解放電速度，因此鋁海水電池的使用由海水溶解固體NaOH或KOH形成的堿性溶液作為電解質(zhì)，這樣就能夠保證鋁陽(yáng)極的放電反應(yīng)速度達(dá)到動(dòng)力電池需要的電流密度。但同時(shí)，鋁陽(yáng)極本身析氫腐蝕過(guò)程也相應(yīng)增強(qiáng)，這是大功率電池中始終存在的矛盾，必須在兩者之間尋找平衡點(diǎn)。3

海水電池研究中的重點(diǎn)問(wèn)題海水電池的研究總體上還處于方興未艾的階段，不同類型電池的開(kāi)發(fā)、單個(gè)品種電池的性能優(yōu)化等均還有許多工作要開(kāi)展，根據(jù)對(duì)這一領(lǐng)域的分析，研究者認(rèn)為下面幾個(gè)方面是值得重視的。3

（1）電極材料性能優(yōu)化。從目前看，在海水電池中比較成功應(yīng)用的陽(yáng)極材料集中在鋁合金和鎂合金上，普遍采用合金化的方法進(jìn)行性能優(yōu)化，取得了顯著的成效，但是仍然有改進(jìn)的余地。所采用的合金元素，如Zn、Bi、Ga、Mg、In等，其作用機(jī)理沒(méi)有統(tǒng)一的解釋，合金化元素的范圍隨著人們對(duì)金屬元素認(rèn)識(shí)的提高可以進(jìn)一步擴(kuò)大。研究表明，引入稀土元素，對(duì)金屬材料微觀晶相結(jié)構(gòu)的細(xì)化具有一定的作用，對(duì)海水電池，鋁陽(yáng)極和鎂陽(yáng)極的效率仍然值得改進(jìn)提高；與此同時(shí)，陽(yáng)極材料有進(jìn)一步拓展的可能，如鐵電極的性能目前也出現(xiàn)少量的報(bào)道。電極的形狀對(duì)性能也有影響，如陽(yáng)極金屬電極由粉壓型改為薄板型，還在嘗試楔型、顆粒狀等。由于海水電池整體研究在國(guó)內(nèi)尚處于基礎(chǔ)階段，可以另辟蹊徑，開(kāi)展這方面的研究。

（2）電極在實(shí)際電池體系中的電化學(xué)過(guò)程動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究方法缺乏創(chuàng)新性的工作。目前普遍采用三電極電化學(xué)系統(tǒng)恒流或恒壓法研究單個(gè)電極性能，這種狀態(tài)下的電極性能與實(shí)際電池中的極化特點(diǎn)有區(qū)別，因此不能簡(jiǎn)單地以三電極體系的研究結(jié)果代替實(shí)際電池中電極的極化性能。對(duì)電池性能的研究，還停留在充放電性能等宏觀性能指標(biāo)的研究方面，對(duì)電極表面微觀電化學(xué)過(guò)程，缺乏原位同步跟蹤的方法，對(duì)電解液中離子的運(yùn)動(dòng)也缺乏深入的了解，當(dāng)然這也是受微觀研究手段、水平及電解液多相體系復(fù)雜等因素制約的。這一現(xiàn)狀影響了對(duì)電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究，因此不少電池即使在實(shí)際中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但總有些問(wèn)題難以從根本上得到解決，如鏗電池的安全性問(wèn)題，陽(yáng)極金屬的效率等等，需要做深入的理論探討。當(dāng)然也可能有某些工作成果出于經(jīng)濟(jì)利益不便公開(kāi)，但從實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀看，仍然有許多基礎(chǔ)性的工作要做。

（3）電解質(zhì)對(duì)放電性能的影響以及電解液控制系統(tǒng)。由于使用天然海水，海水的性質(zhì)對(duì)電池性能有較大影響，如鹽度、溫度、流速等，為減少影響，需要對(duì)電解液系統(tǒng)進(jìn)行控制和優(yōu)化，這一工作對(duì)電池性能的優(yōu)化具有顯著的意義，如美海軍為用于重型魚(yú)雷的Al/AgO電池研制了輔助系統(tǒng)—電解液補(bǔ)充管理系統(tǒng)。因?yàn)閷?duì)于工作時(shí)間較長(zhǎng)的此類電池，一方而要排除反應(yīng)產(chǎn)物和熱量，同時(shí)還要控制堿溶液濃度和鋁酸鹽濃度。電池工作一段時(shí)間后，開(kāi)始排放電液，以補(bǔ)充NaOH的濃度（50%），同時(shí)降低產(chǎn)物鋁酸鹽的濃度，這一系統(tǒng)能夠使體積能量和能量密度改善60%~70%，這也是海水電池的特點(diǎn)之一。

（4）海水電池整體控制優(yōu)化系統(tǒng)。電池的開(kāi)發(fā)研究是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅僅局限于電極材料、充放電性能和電解液等方面，還包括完善的控制系統(tǒng)，對(duì)海水電池更是如此。對(duì)電池電能的利用也存在一個(gè)能量轉(zhuǎn)化控制系統(tǒng)，如長(zhǎng)壽命浮式海水電池，主要用于收集如海水流速和海底相貌等海洋海況的性能指標(biāo)隨時(shí)間的變化信息。這類小型探測(cè)航行體用AI/DOS溶氧電池聯(lián)合一個(gè)可變負(fù)載的鉛酸電池構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)，整個(gè)裝置通過(guò)浮臺(tái)固定在海面上，電池置于浮標(biāo)下部，由相關(guān)的傳感器作為測(cè)試和數(shù)據(jù)貯存的主要單元，隨時(shí)間定期自動(dòng)測(cè)試和存貯數(shù)據(jù)，裝置能提供100kwh能量。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，海水電池是能量提供體，而鉛酸電池起一個(gè)能量轉(zhuǎn)換和貯存作用，這樣防止了海水電池的性能波動(dòng)對(duì)探測(cè)裝置性能的影響，電池的結(jié)構(gòu)（雙堆極）和電極形狀等的優(yōu)化均會(huì)改善電池的綜合性能，這方面的工程技術(shù)問(wèn)題也是需要下大力氣研究的內(nèi)容。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

屈明 - 副研究員 - 西南大學(xué)