鋅空氣電池:尋求儲能最大化和成本最小化的最優解

2021-01-20 中國戰略新興產業
近年來,可充電鋅空氣電池在國外得到了重視,其特有的比能量大、體積小、成本低、易維護的特徵,不僅在商業領域擁有巨大的市場空間,在軍事領域也有很大的應用需求。鋅空氣電池已經逐漸走入人們的視野,突破鋅空氣電池的技術瓶頸無疑會掀起新一輪的能源革命。


隨著社會的快速發展,製造業對資源、能源的需求急劇增加。近年來,由於礦產資源的有限性及環境壓力不斷增大,新能源的開發、研究、運用已然成為廣泛關注的熱點。電池作為儲能載體,已經覆蓋了各行各業,小到我們的手機、無線耳機、運動手錶等各種穿戴設備,大到無人機、新能源汽車等,無不需要用到電池提供能量。目前市場上各種材質的電池層出不窮,鉛酸電池、鋰電池、燃料電池成為世界各大公司爭相研發的產品,目的無非是尋求儲能最大化和成本最小化。而近年來,可充電鋅空氣電池在國外得到了重視,其特有的比能量大、體積小、成本低、易維護的特徵,不僅在商業領域擁有巨大的市場空間,在軍事領域也有很大的應用需求。



目前,市場中的電池大致分為兩大類。一類是動力電池,例如磷酸亞鐵鋰電池、錳酸鋰電池、三元複合材料電池、鈦酸鋰電池等。另一類是金屬空氣電池,例如鋰空氣電池、鎂空氣電池、鋁空氣電池。

金屬空氣電池不同程度地存在導電性差、比能量較低、成本高、壽命短、汙染嚴重等缺點。而鋅空氣電池作為一種金屬空氣電池能夠較好地解決此類問題,它是一種以空氣中的氧氣作為正極電化學反應物質、活性金屬鋅作為負極電化學反應物質的新型儲能器件,具有高容量、高比能量、工作電壓平穩、內阻較小和價格低廉等優點。雖然其電位和能量密度要低於鋰、鎂、鋁等金屬,但是其在水相電解液中更安全、成本更低、經濟性能更好,具有更長的擱置壽命。

鋅空氣電池具有高比能量。由於該電池正極使用空氣中的氧氣作為活性物質,容量無限;電池比能量取決於負極容量。通常的鋅空氣一次電池理論比能量達到1350Wh/kg,是現有的鋰離子電池的5-6倍。無論是在無充電接口的邊遠地區或是一些自然災害造成的電力中斷區域,還是在野外惡劣條件下,鋅空氣電池均可作為輔助供電設備提供電力。

鋅空氣電池具有高安全性。在室溫附近以水溶液作為支持電解液進行工作,空氣流通過程能夠將熱量從電堆中帶出,從原理上完全避免鋰電池中「熱失控」導致碳酸酯類有機溶劑電解液燃燒的可能性。金屬鋅無毒無害,電池「生產-使用-廢棄」的全生命周期具有最低的環境負荷。

鋅空氣電池的成本相對低。鋅空氣電池的原材料易得而且價格低,通過與同等容量和電壓的鉛酸電池和鋰電池進行對比,鋅空氣電池的成本與鉛酸電池價格基本相同,但是電池質量卻只有鉛酸的1/4,鋅空氣電池的重量只有鋰空氣電池的一半,且成本只有鋰電的1/5。

鋅空氣電池的生產效率高。鋅空氣電池所用材料都是價廉易得的最基本的電池材料,電池製作所用的設備也是最基本的工業設備,鋅空氣電池的製作工藝可分解到最基本的流水線工藝,工作效率高。

最後還有值得關注的環保可回收。市場上所有類型的電池如乾電池、蓄電池、扣式電池均為不可再生電池,達到使用極限的電池無法回收循環使用,均要向環境拋棄固體垃圾,汙染水體。可再生式鋅空氣電池恰恰能夠改變電池使用後無法回收的歷史。



國際上,鋅空氣電池的研製開發已經進入到電動汽車應用階段,日本三洋公司採用空氣和電解液受力循環的方法,研製出125V/560Ah的動力型鋅空氣電池,其放電電流密度為80m A/cm2,最高可達130mA/cm2。以色列Electeic Fule公司發展的鋅空氣電池,比能量可達175Wh/kg,最大連續放電功率為45kW,行駛裡程為439km(平均時速70km/h)。國內市場,傳統概念充電模式的電池逐步向換電模式的電池過渡,這種換電模式的電池可滿足不同的應用場景。

首先,在新能源汽車領域,鋅空氣電池較目前流行的鋰電池具有造價成本低廉、重量輕、續航裡程高等特點,鋅空氣電池作為「燃料電池」需要對其電解液和鋅電極進行維護保養,採取換電池代替充電的模式可以解決這個問題。據了解,蔚來汽車已經推出了此項業務,並在60多個城市部署了143座換電站,新能源汽車電量不足時,可行駛至換電站更換電池,時間大約3分鐘。此種模式不僅可以由換電站對電池進行專業的電解液補充和鋅電極增量,還縮短了駕駛員的等待時間,相當於新能源汽車的「加油站」。

第二,在無人機領域,不論是航拍無人機還是作業無人機,自身重量和續航裡程一直是限制其發展的瓶頸問題,以大疆無人機為例,通常室外飛行時間小於半小時,而其為了保證長時間工作安全和充放電保護,需要在電池上具備更多的部件,無疑增加的電池的成本。鋅空氣電池每公斤發電量能夠達到0.3KWH,也就是說,雖然重量只有鋰電池的一半,但是鋅電池的續航裡程卻是鋰電池的兩倍之多。這對無人機來講無論從自身重量和續航裡程都會帶來革命性的提升,同時,使用成本也會大大降低。

第三,在特殊行業領域,例如野外勘探作業和遊牧行業,活動區域不固定,居無定所,用電難是迫切需要解決的問題,無論是工具使用還是生活所需,靠太陽能發電或柴油發電也不能很好地解決問題,要麼獲取電能體量不足,要麼後續燃料補給困難,而採用鋅空氣電池作為電能供體,不僅能較好地解決攜帶重量和體積問題,鋅空氣電池較高的比能量和穩定的電量輸出,能夠支撐野外作業裝備使用和滿足生活用電。

第四,在軍事領域,隨著信息化裝備的大量使用,系統對電能源的需求越來越高,尤其是在野外作戰條件下,電能補充裝備極少,絕大部分裝備還是採用柴油發動機供能,噪音大,熱量高,易於被敵方偵察,大大降低了隱蔽性。同時,大量夜視鏡、光學瞄準器材等配備在單兵裝備中,對小型化、高比能量電能源的需求更為迫切。此外,軍事行動中對部隊和士兵的體能要求尤為嚴格,一名美軍士兵要攜帶29.5Kg的補給品,雖然一塊電池只有1Kg重,但外出執行一次3天的任務,將至少要攜帶6塊電池,佔據了1/5的攜行重量。而鋅空氣電池重量輕、安全穩定,不僅易於運輸,更能夠減輕單兵的攜行負擔,有效減少體能和資源的浪費。



鋅空氣電池的優勢非常明顯,已經逐漸走入人們的視野,突破鋅空氣電池的技術瓶頸無疑會掀起新一輪的能源革命,無論是國家還是國內企業,不僅要時刻關注國際上對鋅空氣電池研發的前沿動態,又要抓緊攻關加快自主研發,迅速實現其產業化發展。

首先,應提高鋅空氣電池技術發展的關注度。從國家層面來講,鋅空氣電池的開發運用,不僅可以代替汽油、柴油等化石燃料,減緩不可再生能源的開發利用,還可以帶動新能源汽車行業的快速發展。只有國家重視鋅空氣電池的技術發展,提前謀篇布局,長遠規劃好技術研發和產業發展,跟蹤關注國際動態,實現自主創新,建立自己的供應鏈體系,才能避免出現被人掐脖子的問題。

其次,應加大鋅空氣電池技術研發力度。作為企業來講,掌握核心技術才能掌握話語權,自主創新才能保證企業的發展活力。國內相關企業,要在鋅空氣電池的研發和技術瓶頸突破上給予一定的資源傾斜,摒棄依靠引進國外技術發展的錯誤思想。拿來主義固然有利於企業短期的發展,但是目前社會關注的華為、中興事件也證明了自主創新的優勢,企業掌握核心研發技術,建立國內完整的產業鏈,符合當前建立國內大循環經濟的發展趨勢。

第三,應開發鋅空氣電池行業適用性。目前,各行各業對於電池的需求程度很高,除了新能源汽車,在高科技軍事領域、航空航天領域等高科技領域,以及手機、電子產品這種全民覆蓋的行業,都會用到電池,目前市場中的電池多種多樣,各有千秋,而鋅空氣電池作為一種儲能大、體積小、成本低、無毒環保的新型電池,一旦投入市場,肯定會受到很多行業的青睞。加大對鋅空氣電池的推廣應用,凝聚各行業的優勢力量共同開發適用本行業領域的產品,能夠有效推動鋅空氣電池的產業發展,進而達到推動各行業的產業發展。

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