鋅空氣電池技術(shù)進(jìn)展

本刊劉春娜

1 概述

鋅空氣電池又稱鋅氧電池，是金屬空氣電池的一種。鋅空氣電池負(fù)極采用了鋅合金，正極材料則是空氣中的氧。在儲(chǔ)存時(shí)一般保持密封，所以基本上沒有自放電。電池外表面為鎳金屬外殼，是具有良好的防腐性的導(dǎo)體。陽極是起催化作用的碳,可從空氣中吸收氧；陰極是鋅粉和電解液的混合物，成糊狀；電解液是高濃度的氫氧化鉀水溶液；隔離層用于隔離兩極間固體粉粒的移動(dòng)；絕緣和密封襯墊為尼龍材料(圖1)。

圖1 鋅空氣電池結(jié)構(gòu)圖

在電池產(chǎn)生電力的過程中，空氣必須無阻擋地進(jìn)入電池，抵達(dá)陰極，并釋放電荷，因此電池殼體上必須有一個(gè)或多個(gè)孔。由于在使用前就讓空氣進(jìn)入會(huì)無謂地消耗反應(yīng)物質(zhì)，同時(shí)過多的水分會(huì)降低電池的性能，因此電池在使用前，孔要用膠帶封起來。由于這樣的結(jié)構(gòu)和工作原理，使得鋅空氣電池具有能量密度高、貯存時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

鋅空氣電池的空氣電極 (亦稱正極或陰極)主要是用一些高分子聚合物(如聚四氟乙烯)、活性炭、催化劑(二氧化錳、銀、鉑等)及集流體材料制成，制成品是一種能透氣、不透液、能導(dǎo)電、有催化活性的薄膜。由于構(gòu)成正極的薄膜很薄，因此在整個(gè)電池中所占的空間極小。另外，電池反應(yīng)所需的氧氣，可從空氣中隨時(shí)取用，無需儲(chǔ)存在電池中。這樣，與其他種類的電池相比，同樣體積的鋅空氣電池就可以用更多的空間來充填陽極材料，這就是鋅空氣電池為什么會(huì)具有高比能量的重要原因。

2 應(yīng)用

鋅空氣電池可用于以下幾方面：(1)用于航標(biāo)燈，也可用作鐵路信號(hào)、公路信號(hào)、地震測(cè)量?jī)x、導(dǎo)航機(jī)、通信機(jī)、戰(zhàn)時(shí)醫(yī)療手術(shù)照明等，可取代普通的中性和堿性干電池；(2)作備用電源代替笨重的鉛酸蓄電池。如單體300 Ah圓柱型鋅空氣電池，其質(zhì)量?jī)H為0.75 kg，而同樣的鉛酸蓄電池的質(zhì)量則大于8 kg；(3)在沒有工業(yè)電的地方（如野外、山區(qū)、林區(qū)、海上）用作電源；(4)作軍用電源和電站調(diào)峰用。鋅空氣電池除可用于步兵隨身攜帶電源外，還可用作潛艇潛入水下的動(dòng)力電源，代替目前所使用的鉛酸蓄電池，以提高潛艇速度。

3 發(fā)展

鋅空氣電池的發(fā)明已經(jīng)有上百年的歷史，以其容量大、能量高、工作電壓平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、無毒無害、安全可靠、沒有爆炸隱患、資源豐富、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)而被公認(rèn)為非常優(yōu)秀的儲(chǔ)能材料。1995年以色列電燃料(Electric Fuel)有限公司首次將鋅空氣電池用于電動(dòng)汽車上，使得鋅空氣電池進(jìn)入了實(shí)用化階段。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和瑞典等多個(gè)國(guó)家也都在電動(dòng)汽車上積極地推廣應(yīng)用鋅空氣電池。

美國(guó)Dreisback Electromotive公司開發(fā)的鋅空氣電池，已在公共汽車和總重9噸的貨車上使用，公共汽車可連續(xù)行駛10 h左右，貨車最大續(xù)駛里程達(dá)113 km。美國(guó)EOS儲(chǔ)能公司聲稱開發(fā)的鋅空氣電池可實(shí)現(xiàn)2 700次循環(huán)充放電。僅從充放電次數(shù)來看，這一技術(shù)遠(yuǎn)超其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，大大延長(zhǎng)了電池壽命。由于受結(jié)構(gòu)等因素限制，循環(huán)充放電次數(shù)少一直是鋅空氣電池的致命弱點(diǎn)。因此，鋅空氣電池目前只被用于助聽器等小型機(jī)械，循環(huán)充放電次數(shù)為300～500次左右。據(jù)悉，EOS采用改進(jìn)電解液化學(xué)性質(zhì)和電池設(shè)計(jì)來延長(zhǎng)電池壽命。他們的試驗(yàn)證明，一個(gè)0.3 kW的電池可以實(shí)現(xiàn)2 700次充放電而沒有性能衰減。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1萬次循環(huán)，產(chǎn)品在電網(wǎng)儲(chǔ)能中維持30年壽命。該技術(shù)顯示了在電網(wǎng)儲(chǔ)能和電動(dòng)車方面的應(yīng)用前景。據(jù)悉，鋅空氣電池用于電網(wǎng)儲(chǔ)能所需成本僅是天然氣調(diào)峰電站的一半。該公司負(fù)責(zé)人表示，EOS開發(fā)的鋅空氣電池，在儲(chǔ)能量和成本上都打敗了鋰電池，所用材料無毒無危害。EOS的關(guān)鍵進(jìn)步包括電解液化學(xué)性質(zhì)的改變以及電池的設(shè)計(jì)。鋅空氣電池通常使用氫氧化鉀——一個(gè)從空氣中吸收二氧化碳的基本方法。這將產(chǎn)生碳酸鉀，緩慢地堵塞電池的氣孔。由于EOS的電池使用了一種新型的中性電解液，因此它們不用吸收二氧化碳。該公司還使用了一種水平的電池結(jié)構(gòu)，靠重力將電解液從空氣中分離出來，而不是靠一層物理薄膜。這一改變能夠防止鋅電極上產(chǎn)生的物質(zhì)使薄膜破裂而造成電池失效。EOS計(jì)劃融資2 000萬美元，到2013年做成兆瓦級(jí)電網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。不過EOS也承認(rèn)，要達(dá)到1萬次充放電的目標(biāo)路還很長(zhǎng)(圖2)。相比之下，另一個(gè)從事類似技術(shù)研究的主要競(jìng)爭(zhēng)者 ReVolt Technology公司則希望在2013年前實(shí)現(xiàn)1 000次循環(huán)。

圖2 美國(guó)EOS公司千瓦級(jí)鋅空氣電池原型

德國(guó)奔馳汽車公司的MB410型電動(dòng)廂式車，標(biāo)準(zhǔn)總質(zhì)量為4 000 kg，采用150 kWh的鋅空氣電池,從法國(guó)的Chambery城越過阿爾卑斯山，連續(xù)爬坡150 km，山的最高處2 083 m，公路全程244 km，到達(dá)意大利的都靈，僅消耗了65%的電量(97.5 kWh)。該車從德國(guó)的不萊梅到波恩，最高車速達(dá)到120 km/h，一次充電后走完全程425 km的路程。

瑞典斯德哥爾摩市的電動(dòng)貨車、電動(dòng)客車和電動(dòng)服務(wù)車輛上，采用的鋅空氣電池比能量為180Wh/kg，比功率為100Wh/L，續(xù)駛里程350～425 km。該市的鋅空氣電池廢料回收處理能力為250 kg/h，可為150輛EV提供再生的鋅粒。

挪威科研機(jī)構(gòu)SINTEF近幾年通過改進(jìn)鋅電極以及內(nèi)部濕度控制，實(shí)現(xiàn)了鋅空氣電池的充電技術(shù)。目前的可充電鋅空氣電池在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過100次充放電循環(huán)，預(yù)計(jì)壽命可達(dá)到200次。SINTEF在瑞士成立的ReVolt公司專門負(fù)責(zé)鋅空氣充電電池的產(chǎn)品開發(fā)，移動(dòng)設(shè)備的鋅空氣充電電池隨后也會(huì)推出。到上市時(shí)，其充放電壽命應(yīng)可達(dá)到300到500次。另外，通過借鑒燃料電池結(jié)構(gòu)，ReVolt表示鋅空氣充電電池未來還將應(yīng)用在電動(dòng)汽車當(dāng)中，充放電壽命超過10 000次，不過這項(xiàng)技術(shù)目前距離實(shí)用還有很遠(yuǎn)的距離。

以色列電燃料有限公司開發(fā)的鋅空氣電池，裝在載重1 000 kg、總重3 500 kg的電動(dòng)郵車上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：比能量達(dá)到207 Wh/kg，350 kg的鋅空氣電池使電動(dòng)郵車行駛了300 km，最高車速可達(dá)120 km/h，由靜止加速到80 km/h為12 s，該車具有良好的動(dòng)力性能。更換鋅粒匣和灌滿電解質(zhì)的時(shí)間為2 m in。以色列設(shè)有每小時(shí)能處理10 kg鋅的再生處理廠，可以為10～15輛電動(dòng)郵車更換鋅粒匣服務(wù)。

在第63屆德國(guó)法蘭克福國(guó)際車展的最后一天，一款由來自中國(guó)臺(tái)灣和香港的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)(APET)研發(fā)的鋅空氣電池電動(dòng)汽車廣受關(guān)注。這款新車大大降低了生產(chǎn)成本，解決了發(fā)電穩(wěn)定性、漏電、封裝等一系列技術(shù)難題。APET研發(fā)的鋅空氣電池質(zhì)量為 180 kg，能夠產(chǎn)生44 kWh的電量，續(xù)航能力達(dá)到350 km。如果要產(chǎn)生同樣電量，鋰電池的質(zhì)量要達(dá)到360 kg。

博信電池(PowerZinc)現(xiàn)已研制出的鋅能源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)公交車，一次續(xù)航里程超過320公里。博信是目前能把鋅空氣動(dòng)力燃料電池技術(shù)推進(jìn)到最接近產(chǎn)品化的公司，已得到美國(guó)政府的高度認(rèn)可和支持，其技術(shù)已在美國(guó)申請(qǐng)了專利，并申請(qǐng)了包括中國(guó)在內(nèi)的世界上126個(gè)國(guó)家的專利及優(yōu)先權(quán)。博信的鋅空氣電池以充電時(shí)間短(幾分鐘)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)力強(qiáng)勁著稱，其示范車在美國(guó)拉斯維加斯運(yùn)行5年，情況良好。

武漢也有鋅空氣電池新能源車亮相。目前采用該電池的新能源車已通過國(guó)家整車資質(zhì)審核，明年將投入示范運(yùn)營(yíng)。根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)劃，它還屬于起步階段。但相較于目前“主流”新能源車使用的鋰電池而言，售價(jià)便宜2/3，續(xù)航里程多了近一倍?！安捎娩\空氣電池的新能源車不需要充電?！痹摴矩?fù)責(zé)人說，“電池是循環(huán)利用，完全沒有污染?！蹦壳埃瑯有吞?hào)的車型使用鋅空氣電池相較于鋰電池大概可輕1/3。而且，采用鋰電池的純電動(dòng)公交售價(jià)大約為90萬，而使用鋅空氣電池的售價(jià)不過30萬元。但由于它的比功率不足，最高時(shí)速僅60公里，不能達(dá)到小轎車的要求，不過非常適合公交車、微型動(dòng)力車。

江蘇常熟合眾環(huán)保能源技術(shù)研究所的研究人員一直致力于鋅空氣電池研究。他們認(rèn)為：若用鋅空氣電池來替代鋰電池，并以換電模式提供續(xù)能服務(wù)，以標(biāo)準(zhǔn)通用的電池模塊提高通用性，讓發(fā)電廠用谷電制作鋅空氣電池，利用已有換電站、加油站換電，“那么，當(dāng)前困擾電動(dòng)汽車發(fā)展的非技術(shù)原因就能得以解決，并以此來解決技術(shù)制約的瓶頸困擾，那么電動(dòng)汽車商業(yè)化前景會(huì)豁然開朗，迎來光明前程”。

4 爭(zhēng)議

盡管有專家認(rèn)為鋅空氣電池現(xiàn)在大多是炒作，玩概念，是實(shí)驗(yàn)室里的理想狀態(tài)，實(shí)際要想做到大規(guī)模的批量化生產(chǎn)非常困難。而且，關(guān)于鋅空氣電池，以前曾鼓勵(lì)發(fā)展過，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后，相關(guān)部門已經(jīng)不鼓勵(lì)其發(fā)展，近年電池結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄已決定將其調(diào)整出去。但仍有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，鋅空氣電池是真正意義上可循環(huán)使用的清潔無污染化學(xué)電源。放完電之后的氧化鋅經(jīng)電解再生后又成為金屬鋅，再制成電池，而且鋅粉損耗極少，幾乎可以忽略不計(jì)。

而且，在車輛上更換鋅空氣電池有專門的裝置十分方便。最關(guān)鍵的是，鋅空氣電池目前的比能量是200 Wh/kg，是鋰電池的兩倍，相同質(zhì)量的電池組其電量使原有電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加一倍，接近燃油汽車的續(xù)航里程。若有更高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，節(jié)省電力，那么續(xù)航里程將更遠(yuǎn)，超過燃油汽車一次加油的續(xù)航里程是有可能的。若裝備了與鋰電池相同質(zhì)量的鋅空氣電池，其行駛里程可以增加到約160千米；出租車運(yùn)營(yíng)里程一天400多千米，只需要再增加一些電池即可滿足一天換一次電池的要求。

隨著油價(jià)的不斷提升，鋅空氣電池原先的成本劣勢(shì)也開始不斷消退，這使得推廣應(yīng)用之路顯得并不遙遠(yuǎn)。

據(jù)悉，鋅空氣電池最大的消耗是電能，即將放完電后的報(bào)廢電池中的氧化鋅粉經(jīng)電解后還原成金屬鋅粉，并分解出化學(xué)電解質(zhì)。這個(gè)再生過程需要消耗較多的電能，一般情況下，在電動(dòng)車上放電的鋅空氣電池組每放1千瓦時(shí)電的鋅粉需要4.5千瓦時(shí)電再生，即再生到放電是4.5比1，這個(gè)電耗比例與二次電池相比，電能轉(zhuǎn)換效率很低。它與電解水制氫再用氫氣供燃料電池發(fā)電的電能消耗比例相當(dāng)。

此外，鋅空氣電池是反復(fù)循環(huán)的，整車出廠時(shí)不含電池成本，只需一個(gè)專門的電池艙即可，同時(shí)不需要電池管理系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、車載充電器、插頭插座等，電動(dòng)汽車只要具備電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速控制器即可，這樣電動(dòng)汽車的成本就不會(huì)高于同配置的燃油汽車了。

而且電動(dòng)汽車使用鋅空氣電池，用戶不必考慮幾年后再換一組動(dòng)力電池的投入。另外，鋅空氣電池不會(huì)產(chǎn)生爆炸事故，是穩(wěn)定的化學(xué)電源，只需停止供應(yīng)氧氣，就不反應(yīng)不放電。同時(shí)它是固體，不會(huì)滲漏電解液，對(duì)道路及行人不會(huì)產(chǎn)生危害。

鋅空氣電池一旦規(guī)模擴(kuò)大，能夠自動(dòng)制作，成本會(huì)大大下降。如果一個(gè)城市的公交車、公務(wù)車、私家車等都采用了由鋅空氣電池提供的電能，電池需求量巨大而且每天都需要它，那么發(fā)電廠在谷電時(shí)段開工制作鋅空氣電池，利用谷電的低價(jià)位，可以使用戶最終花費(fèi)很低，使電動(dòng)汽車的電耗與目前價(jià)位的油耗費(fèi)用更接近甚至持平，從而使電動(dòng)汽車為市場(chǎng)所接受，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。