乾貨|幾種金屬空氣電池的國內外研發及應用進展

　　導讀： 目前已經取得研究進展的金屬空氣電池主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等。這幾種類型的金屬空氣電池有的已經具備大規模量產的條件，有的還停留在實驗室階段，有的已經在電動汽車方面取得良好的應用成果，並即將大規模裝載新能源車輛。

　　金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發生氧化還原反應產生電能的一種特殊燃料電池。

　　金屬空氣電池以活潑的金屬作為陽極，具有安全、環保、能量密度高等諸多優點。具有良好的發展和應用前景，甚至被寄予厚望替代當前新能源汽車主要的動力電池類型—鋰離子動力電池。

　　製作金屬空氣電池，可選用的原材料比較豐富。目前已經取得研究進展的金屬空氣電池主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等。這幾種類型的金屬空氣電池有的已經具備大規模量產的條件，有的還停留在實驗室階段，有的已經在電動汽車方面取得良好的應用成果，並即將大規模裝載新能源車輛。

　　本文將分別介紹上述幾種金屬空氣電池的研發及應用進展。

　　一、鋁空氣電池

　　1、工作原理

　　鋁空氣電池以高純度鋁Al（含鋁99.99%）為負極、氧為正極，以氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時產生化學反應，鋁和氧作用轉化為氧化鋁。

　　2、特點

　　鋁空氣電池具有無毒、無害、無汙染，可回收循環使用等特點。

　　對於電動汽車來說，鋁空氣電池具有質量輕、比能量大的顯著特點。資料顯示，鋁空氣電池的理論比能量可達8100Wh/kg，目前的實際比能量約實現了350Wh/kg，是鋰電池的2.3倍，鎳氫電池的6倍，鉛酸電池的7倍多。

　　這種電池對於減輕汽車重量，增加續航裡程具有明顯的幫助。

　　3、研發及應用進展

　　國外：

　　據相關資料，美國加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動汽車上，有過只更換一次鋁電極續駛裡程達1600km的記錄。

　　美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的鋁空氣電池儲存了可行駛3000公裡的足夠電量。

　　國內：

　　雲鋁股份與昆明冶金研究院共同出資組建創能鋁空氣電池股份有限公司，投資鋁-空氣電池研發項目。目前，創能鋁空氣電池研發項目正在推進中。

　　中國動力與PHINERGY成立合資公司，計劃在大巴、旅遊車、物流汽車及運動型多用途汽車等電動車型推廣鋁空氣電池。並計劃在大陸、香港、澳門進行推廣。

　　二、鎂空氣電池

　　1、工作原理

　　

　　2、特點

　　能量密度高、理論電壓高、清潔安全。鎂儲量豐富，具有成本優勢。

　　鎂空氣電池的能量密度可達重量相等的鋰電池的10倍。

　　不足之處在於，鎂陽極的反應效率較低，空氣陰極的響應速度較慢，儘管這種電池能夠儲存很多能量，但是將能量轉換成實際的動力十分有限。

　　3、研發及應用進展

　　國外：

　　據報導，韓國研發的一輛搭載完整鎂空氣電池的電動汽車能成功行駛800公裡，是當前鋰電池動力汽車平均續航裡程的4倍

　　日本多家機構包括古河電池、尼康、日產汽車、日本東北大學、宮城縣日向市等產學研機構和政府部門正積極推進鎂空氣電池的大容量化研究。

　　日本Agua Power公司已經成功開發製造和商業化鎂空氣電池，現已註冊專利16個。

　　國內：

　　寧波材料所動力鋰電池工程實驗室成功研製出1000Wh鎂空氣電池樣機。

　　

　　1000Wh 鎂空氣電池樣機演示圖

　　該電池由5個單體電池串聯而成，以AZ31鎂合金為陽極，以10%的NaCl溶液為電解液，以上述空氣擴散電極和錳氧化物催化劑為陰極。該鎂空氣電池的外觀尺寸為200×150×150 mm3，重量為2.3 kg，能量密度可達430 Wh/kg，最大輸出功率可達80W。

　　某公司生產的鎂空氣電池使用水作為電解液，其自帶的LED燈可持續照明90至100小時，一次可為20部智慧型手機充電。這種鎂空氣電池作為應急電源應用。

　　三、鋅空氣電池

　　1、工作原理

　　鋅空氣電池又稱鋅氧電池，用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質，以鋅為負極，以氯化銨或苛性鹼溶液為電解質的一種原電池。

　　陽極： Zn 2OH– → ZnO H2O 2e–

　　陰極： O2 2H2O 4e– → 4OH–

　　綜合： 2Zn O2→ 2ZnO

　　2、特點

　　比能量高，可達到340Wh/kg。安全、放電性能穩定、成本低廉。重量是鋰電池的50%，續駛裡程是鋰電池的200%，初裝價格約為鋰電池的40%。

　　3、研發及應用進展

　　國外：

　　加拿大滑鐵盧大學陳忠偉博士及其團隊的研究取得了顯著的進展。

　　國內：

　　「車用鋅空氣電池項目」被列入國家863重大科技專項一。

　　國內某鋅空氣電池製造公司聯合某整車製造商計劃今年推出500輛12米裝載鋅空氣電池的純電動公交車，整車造價百萬，其中電池價格約為40萬。

　　根據計劃該公司2017年將生產出滿足3000輛電動汽車使用的鋅空氣動力電池。

　　四、鋰空氣電池

　　1、工作原理

　　鋰空氣電池用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極。放電時，陽極的鋰釋放電子後成為鋰陽離子（Li ），Li 穿過電解質材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結合生成氧化鋰（Li2O）或者過氧化鋰（Li2O2），並留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91 V。

　　2、特點

　　鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。不足之處在於，仍處於實驗室階段，實現商業化尚需要10年左右的時間。

　　3、研發及應用進展

　　國外：

　　

　　英國劍橋大學所研製出的鋰空氣電池能夠循環充電2000次以上。該電池在理論上的能源使用效率超過90％。

　　2009年，日本研究機構開發出了新構造的大容量鋰空氣電池。

　　美國IBMAlmaden Reseach Center正在進行鋰空氣電池研究，日本旭化成株式會社和Central硝子株式會社兩家企業參加了該項目。研究小組計劃到2020年實現鋰空氣電池的大量生產和推廣應用。

　　國內：

　　中科院成功研製出鋰空氣電池單體。

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