空氣電池離我們還有多遠(yuǎn)？

徐楠

近年來，以空氣電池為代表的下一代動(dòng)力電池產(chǎn)品被認(rèn)為是未來替代鋰離子動(dòng)力電池的最終解決方案。在鋁、鎂、鋅、鋰等空氣電池技術(shù)研發(fā)方面，我國也已取得一定進(jìn)展。對(duì)于空氣電池的研發(fā)及商業(yè)化，目前制約其發(fā)展的主要因素包括：部分關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，比功率性能存在不足，催化劑關(guān)鍵材料成本居高不下。

空氣動(dòng)力電池研發(fā)取得新進(jìn)展

我國目前在鋁、鎂、鋅、鋰等空氣電池技術(shù)研發(fā)方面已取得一定進(jìn)展。在新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，我國既要提升發(fā)展技術(shù)相對(duì)成熟的鋰離子動(dòng)力電池，也應(yīng)加快對(duì)金屬空氣動(dòng)力電池等下一代電池技術(shù)的研發(fā)、儲(chǔ)備及應(yīng)用，搶占行業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)，建立新能源汽車的多類型動(dòng)力電池供應(yīng)體系。

（一）空氣電池在續(xù)航里程上具有明顯優(yōu)勢(shì)

所謂空氣電池，是指以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。它具有原料易得、能量密度高、輕便、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在空氣電池中，負(fù)極材料用來發(fā)生反應(yīng)的金屬有鋁、鎂、鋅、鋰等，正極材料則為空氣中的氧氣，電池的電解液采用堿性水溶液，同時(shí)需要利用催化劑來吸附、固定和還原空氣中的氧氣。

空氣電池在續(xù)航里程及原材料獲取上具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，開發(fā)新型材料體系是進(jìn)一步提高動(dòng)力電池能量密度的主要思路。比能量是代表動(dòng)力電池材料續(xù)航里程性能的有效指標(biāo)，目前鋰離子動(dòng)力電池組產(chǎn)品的比能量普遍在180Wh/kg以下，2020年我國規(guī)劃動(dòng)力電池的單體比能量將達(dá)到300Wh/kg。在目前能夠規(guī)模應(yīng)用的空氣電池中，鋁空氣電池產(chǎn)品的比能量約為300-400Wh/kg，鋅空氣電池的比能量約為250-350h/kg，鎂空氣電池和鋰空氣電池的比能量可達(dá)鋰離子動(dòng)力電池的10倍，正成為解決動(dòng)力電池續(xù)航里程不足的有效方案。

其次，供制作空氣電池選用的金屬原材料比較豐富，氧氣更是取之不盡?？諝怆姵禺a(chǎn)生電能消耗金屬材料、氧氣和水，工作過程不產(chǎn)生有毒有害氣體，生成的氧化物也可以電解再生。出于安全性考慮，空氣電池的產(chǎn)業(yè)化需要較長的驗(yàn)證時(shí)間。

目前已取得一定研究進(jìn)展的主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池四類。其中，鋰空氣電池仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)現(xiàn)商業(yè)化尚需要10年左右的時(shí)間，其余電池產(chǎn)品基本具備小規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)條件，有的甚至已經(jīng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車并取得良好效果。

（二）主要國家研發(fā)應(yīng)用不斷取得新突破

目前，美國、以色列、日本和我國都在大力開發(fā)空氣電池作為汽車動(dòng)力電源，重點(diǎn)是提高金屬的利用率、降低空氣電極的催化劑成本及增加循環(huán)壽命。

在鋁空氣電池方面，2014年以色列Phinergy公司和美國鋁業(yè)公司合作研發(fā)的比能量為300Wh/kg、重量僅為100kg的鋁空氣電池組，搭載雪鐵龍C1電動(dòng)汽車，續(xù)航里程可以達(dá)到1600km；中國船舶重工集團(tuán)動(dòng)力股份有限公司與Phinergy成立合資公司，計(jì)劃在大巴、旅游車、物流汽車及運(yùn)動(dòng)型多用途汽車等電動(dòng)汽車上推廣鋁空氣電池。

在鎂空氣電池方面，日本Agua Power公司成功開發(fā)制造和商業(yè)化鎂空氣電池，現(xiàn)已注冊(cè)專利16個(gè)；我國寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室成功研制出了1000Wh的鎂空氣電池樣機(jī)。

在鋅空氣電池方面，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉博士及其團(tuán)隊(duì)的研究取得了明顯進(jìn)展。在我國，“車用鋅空氣電池項(xiàng)目”被列入國家863重大科技專項(xiàng)之一，產(chǎn)品將主要應(yīng)用于500 輛純電動(dòng)公交車。

在鋰空氣電池方面，美國IBM正在進(jìn)行鋰空氣電池Battery 500項(xiàng)目研究，日本旭化成株式會(huì)社和Central硝子株式會(huì)社兩家企業(yè)參加了該項(xiàng)目，計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的大量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

我國中科院通過抑制鋰空氣電池電解質(zhì)分解，調(diào)控空氣電極固-液-氣三相界面以及優(yōu)化鋰空二次電池體系與結(jié)構(gòu)，成功解決了目前鋰空氣電池循環(huán)壽命短的問題，將鋰空氣電池循環(huán)壽命從目前的最長100次大幅提高至500次，并首次研制出鋰空氣電池的實(shí)際單體。

空氣電池作為汽車動(dòng)力電池使用存在不足

（一） 部分關(guān)鍵技術(shù)尚未突破

空氣電池雖然擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但作為汽車動(dòng)力電池應(yīng)用時(shí)，在部分關(guān)鍵技術(shù)上還存在不足。

比如，鋅空氣電池在充電時(shí)，負(fù)極易形成枝狀結(jié)晶造成電池內(nèi)部短路，從而縮短電池的充放電壽命，因此對(duì)鋅空氣電池的應(yīng)用研究主要集中在如何通過“換電”方式來為車輛補(bǔ)充電能方面。

鋁空氣電池在使用中，會(huì)因充電電壓較高在電池內(nèi)部產(chǎn)生電解水反應(yīng)，導(dǎo)致電池的充放電性能下降。因此，對(duì)鋁空氣電池的應(yīng)用研究和鋅空氣電池一樣，也集中在“換電”方式上。

鎂空氣電池因受鎂合金負(fù)極難以成型及耐腐蝕性差等因素的制約，在一定程度上也影響了鎂空氣電池作為汽車動(dòng)力電池的應(yīng)用。

鋰空氣電池在充電過程中，還原反應(yīng)生成的金屬鋰會(huì)與空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣導(dǎo)致爆炸事故，因此，如何隔絕鋰與空氣的接觸，成為了鋰空氣電池突破的主攻方向。

（二）比功率性能存在不足

空氣電池雖然在比能量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但代表動(dòng)力電池動(dòng)力性能指標(biāo)的比功率卻僅為105W/kg，與鋰離子動(dòng)力電池250-450W/kg的比功率有較大差距。

以目前技術(shù)能力，如需獲得與鋰離子動(dòng)力電池同樣的比功率，空氣電池組的重量大約是鋰離子電池組的4-5倍。因此，目前作為汽車動(dòng)力電池應(yīng)用的空氣電池，采用的是與鋰離子電池配合使用的解決方案，多充當(dāng)鋰離子電池的輔助蓄能電池。利用空氣電池相對(duì)較低的放電功率，給鋰電池緩慢充電，將空氣電池高能量密度的特性與鋰離子電池較高的放電功率巧妙結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程的提高。

（ 三 ）催化劑關(guān)鍵材料成本居高不下

在空氣電池中，ORR催化劑直接決定著電轉(zhuǎn)化效率、電池成本和壽命。傳統(tǒng)的ORR催化劑主要是貴金屬及其合金，但因儲(chǔ)量有限、成本過高，制約了空氣電池在電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，因此，尋找高性價(jià)比的氧還原催化劑是開發(fā)空氣電池的關(guān)鍵難題，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了積極探索，為新型催化劑材料的應(yīng)用提出了新思路。

四點(diǎn)建議

（一）大力推進(jìn)對(duì)空氣電池關(guān)鍵技術(shù)及材料的研究

發(fā)展空氣電池是搶占全球汽車動(dòng)力電池技術(shù)制高點(diǎn)的重要舉措，我國應(yīng)抓住新能源汽車快速發(fā)展的有利機(jī)遇，集中利用有關(guān)資源，加快布局空氣電池產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)和材料的基礎(chǔ)研究。

在鋁空氣電池方面，應(yīng)重點(diǎn)突破鋁合金電極和銀基催化劑等關(guān)鍵材料、高利用率鋁合金電極生產(chǎn)工藝技術(shù)和成組鋁空氣電池組電極快速更換技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。在鎂空氣電池方面，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)高活性、低腐蝕速率的鎂合金材料，以及鎂的加工成型方式。在催化劑關(guān)鍵材料方面，如何開發(fā)高效低成本的新型氧化還原催化劑、降低氧化還原劑對(duì)正極材料的腐蝕也應(yīng)是未來研究的重要方向。

（二） 加快建設(shè)空氣電池創(chuàng)新研究院和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

積極引導(dǎo)企業(yè)、高校、科研院所，建立機(jī)制靈活、互惠高效的空氣電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，使之成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大引擎。以空氣電池工程化應(yīng)用研究為要?jiǎng)?wù)，以推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為目的，發(fā)揮市場競爭和市場調(diào)節(jié)的作用，以市場化運(yùn)營模式加大對(duì)空氣電池核心技術(shù)、多類型電池混合電源管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池模塊等關(guān)鍵零部件，以及相關(guān)產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)投入和協(xié)同創(chuàng)新，引導(dǎo)和鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研用各方共同推進(jìn)合作模式創(chuàng)新，完善成果分?jǐn)偤屠婀蚕頇C(jī)制，逐步構(gòu)建穩(wěn)固的空氣電池發(fā)展基礎(chǔ)。

（三） 加大政府財(cái)政支持及科研投入力度

開展試點(diǎn)政府技術(shù)采購，持續(xù)推動(dòng)包括金屬空氣動(dòng)力電池在內(nèi)的汽車動(dòng)力電池等關(guān)鍵零部件和核心技術(shù)的進(jìn)步，提高整體創(chuàng)新能力和競爭力。加大政府財(cái)政支持力度，比如，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)投資基金等對(duì)空氣電池的支持。充分發(fā)揮風(fēng)險(xiǎn)基金等各類金融主體的作用，鼓勵(lì)社會(huì)資本投向金屬空氣創(chuàng)新型企業(yè)和科技項(xiàng)目攻關(guān)。

（四） 積極開展與國際企業(yè)及機(jī)構(gòu)的技術(shù)研發(fā)合作

鼓勵(lì)國內(nèi)空氣電池科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)積極開展國際合作，依托我國巨大的市場需求優(yōu)勢(shì)，與擁有先進(jìn)金屬空氣動(dòng)力電池技術(shù)的企業(yè)開展合作，成立合資企業(yè)或引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，充分利用合資合作產(chǎn)生的技術(shù)外溢效應(yīng)，帶動(dòng)我國金屬空氣動(dòng)力電池的自主創(chuàng)新發(fā)展。

鼓勵(lì)有條件的企業(yè)實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，支持企業(yè)通過海外并購獲取金屬空氣動(dòng)力電池核心技術(shù)，吸納全球?qū)I(yè)化高端人才，重點(diǎn)建設(shè)一批空氣電池國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、國際科技合作基地和院士工作站。