特斯拉成功申請多項專利 金屬空氣電池能否終結「續航焦慮」?

特斯拉繼成功申請混動系統專利之後，近日又拿下金屬空氣電池的充電技術專利。業內人士認為，如果該技術可實用，將進一步提高電動汽車的續駛裡程。

人們對金屬空氣電池或許有些陌生，它們並不像鋰離子電池那樣在新能源汽車領域扮演著當紅角色，但金屬空氣電池確實有著巨大潛力，一旦商業化，足以驚豔四座。早在2014年，美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy在蒙特婁向大眾展示了具有超級續航能力的鋁空氣電池技術，這種金屬電池續航高達3000公裡——3000公裡是什麼概念?從北京到海南，一路向南，不用充電!既然金屬空氣電池這麼神奇，電動汽車的續航問題能否就此解決呢?電池中國網對金屬空氣電池做一個全景掃描，希望這些信息對大家有所幫助。

金屬空氣電池有多種，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、鋅空氣電池、鋰空氣電池和鎂空氣電池等。

1. 鋁空氣電池

工作原理：鋁空氣電池以高純度鋁Al(含鋁99.99%)為陽極、氧為陰極，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。

優點：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，鋁空氣電池還具有電池質量輕、比能量大、不依賴電網充電等優勢，可明顯降低汽車重量，增加汽車的續駛裡程。據行業資料顯示，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。

缺點：比功率較低，放電速度比較緩慢;電壓滯後;自放電率較大;需採用熱管理系統，防止鋁空氣電池工作時出現過熱現象;放電過程中陽極腐蝕會產生氫，導致陽極材料過度消耗，還會增加電池內部的電學損耗。

研發及應用進展

國外：美國加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動汽車上，曾有過只更換一次鋁電極續駛裡程達1600km的記錄;2014年，美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy展示的鋁空氣電池續駛裡程高達3000公裡，一度引起轟動。

國內：2015年8月，雲鋁股份聯合昆明冶金研究院設立創能公司，並落地了10MW的鋁空氣電池生產線;2015年，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;空天科技公司已擁有鋁空氣電池從正陽極材料工藝到電池熱管理及鋁空氣電池管理系統等完整的核心技術，並研製出了100W~5000W等不同功率等級的鋁空氣電池模塊;目前，德陽東深新能源公司研發製造的鋁空氣金屬燃料發電電池已正式量產，這也是鋁空氣電池在全國範圍內首次實現產業化和商業化。

2. 鋅空氣電池

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陰極活性物質，以鋅為陽極，以氯化銨或苛性鹼溶液為電解質的一種原電池。

優點：比能量高，可達到340Wh/kg;重量是鋰電池的50%;續駛裡程是鋰電池的200%;安全，放電性能穩定，成本低廉。

缺點：電池容易發生爬鹼漏液、電解液易因蒸發而乾涸，外界CO2的進入易使電解液碳酸鹽化，鋅電極容易發生腐蝕導致自放電。這些都會嚴重影響到鋅空氣電池的性能和質量。

研發及應用進展

國外：2015年8月，加拿大滑鐵盧大學「鋅空氣電池第一人」陳忠偉博士研究團隊利用矽電極製備的鋅空氣電池能量密度，其密度在原基礎上提高了40%。

國內：2011年國內首個鋅空氣電動公交車正式下線，該類型純電動城市公交車續駛裡程達300公裡，最高時速可達每小時80公裡，其運營成本比傳統鋰電池電動汽車低1/3;2014年11月，《電動汽車用鋅空氣電池行業標準》正式實施，該標準涵蓋了電動汽車用鋅空氣電池的要求、試驗方法等多方面內容;2015年，天津九能京通公司的鋅空氣燃料電池項目被列為天津市重大工業項目並通過國家863動力電池測試中心產品檢測鑑定，形成了年產5萬組新能源汽車用鋅空氣燃料電池組的生產能力，目前已投入商業化運行。

3. 鋰空氣電池

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。

優點：理論上具有大容量，可提供與汽油相當的能量，電池比較輕小。

缺點：成本高昂，作為動力電池，續駛裡程不高。

研發及應用進展

國外：2009年，日本研究機構開發出新構造的大容量鋰空氣電池;2015年，英國劍橋大學研製的鋰空氣電池可循環充電2000次以上，該電池在理論上的能源使用效率超過90%;目前，美國IBM Almaden 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：中國科學院長春應化所張新波研究員帶領的科研團隊通過抑制鋰空氣電池電解液分解，調控空氣電極固—液—氣三相界面以及優化鋰—空二次電池體系與結構，成功將鋰空氣電池循環壽命從文獻報導的最長100次提高至500次。然而目前鋰空氣電池只能在實驗室中進行充放電實驗，未能實現大規模的商業化應用。

4. 鎂空氣電池

工作原理：通過空氣中的氧氣和金屬鎂發生化學反應產生電能。

優點：儲存壽命可達10年以上;可在多數場合臨時使用，加清水或海水使之活化，活化後半小時內即可使用;工作電壓十分平穩。

缺點：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。

研發及應用進展

國外：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，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，並已註冊專利十多項。

國內：2015年，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，該鎂空氣電池的重量為2.3 kg，能量密度可達430 Wh/kg，最大輸出功率可達80W;2016年7月，南開大學電子信息與光學工程學院王衛超教授、美國休斯敦大學姚彥教授聯合研究團隊，成功將錳基莫來石材料作為催化劑應用於鎂空氣電池，大幅降低了成本，可在中性電解液中穩定工作，其優越的催化活性極大提高了鎂空氣電池的效率。

綜觀以上信息，我們可以發現，金屬空氣電池中，鋁空氣電池和鋅空氣電池已經開始了規模化生產，鎂空氣電池在日本有了小規模生產，而鋰空氣電池還處於實驗室研究階段，離商業化還有不小距離。鋁空氣電池的自身特性導致陽極材料的過度消耗，鋅空氣電池電解液遭遇的瓶頸及電極自放電問題，都大大阻礙了其大規模商業化進程。如果金屬空氣電池不能實現大規模商業化，其續航優勢並不能造福消費者，對於人們的「續航焦慮」，金屬空氣電池只能是一個潛在解決方案，要大面積解決「續航焦慮」問題，也許專注現有動力鋰離子電池顯得更為實際。

來源：電池中國網綜合

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