鋅空氣電池技術進展

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。鋅空氣電池負極采用了鋅合金，正極材料則是空氣中的氧。在儲存時一般保持密封，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；絕緣和密封襯墊為尼龍材料(圖1)。

圖1 鋅空氣電池結構圖

在電池產生電力的過程中，空氣必須無阻擋地進入電池，抵達陰極，并釋放電荷，因此電池殼體上必須有一個或多個孔。由于在使用前就讓空氣進入會無謂地消耗反應物質，同時過多的水分會降低電池的性能，因此電池在使用前，孔要用膠帶封起來。由于這樣的結構和工作原理，使得鋅空氣電池具有能量密度高、貯存時間長、生產成本低廉等優點。

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、能導電、有催化活性的薄膜。由于構成正極的薄膜很薄，因此在整個電池中所占的空間極小。另外，電池反應所需的氧氣，可從空氣中隨時取用，無需儲存在電池中。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具有高比能量的重要原因。

2 應用

鋅空氣電池可用于以下幾方面：(1)用于航標燈，也可用作鐵路信號、公路信號、地震測量儀、導航機、通信機、戰時醫療手術照明等，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，其質量僅為0.75 kg，而同樣的鉛酸蓄電池的質量則大于8 kg；(3)在沒有工業電的地方（如野外、山區、林區、海上）用作電源；(4)作軍用電源和電站調峰用。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 發展

鋅空氣電池的發明已經有上百年的歷史，以其容量大、能量高、工作電壓平穩、使用壽命長、性能穩定、無毒無害、安全可靠、沒有爆炸隱患、資源豐富、成本低廉等諸多優點而被公認為非常優秀的儲能材料。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汽車上，使得鋅空氣電池進入了實用化階段。美國、德國、法國和瑞典等多個國家也都在電動汽車上積極地推廣應用鋅空氣電池。

美國Dreisback Electromotive公司開發的鋅空氣電池，已在公共汽車和總重9噸的貨車上使用，公共汽車可連續行駛10 h左右，貨車最大續駛里程達113 km。美國EOS儲能公司聲稱開發的鋅空氣電池可實現2 700次循環充放電。僅從充放電次數來看，這一技術遠超其競爭對手，大大延長了電池壽命。由于受結構等因素限制，循環充放電次數少一直是鋅空氣電池的致命弱點。因此，鋅空氣電池目前只被用于助聽器等小型機械，循環充放電次數為300～500次左右。據悉，EOS采用改進電解液化學性質和電池設計來延長電池壽命。他們的試驗證明，一個0.3 kW的電池可以實現2 700次充放電而沒有性能衰減。其最終目標是實現1萬次循環，產品在電網儲能中維持30年壽命。該技術顯示了在電網儲能和電動車方面的應用前景。據悉，鋅空氣電池用于電網儲能所需成本僅是天然氣調峰電站的一半。該公司負責人表示，EOS開發的鋅空氣電池，在儲能量和成本上都打敗了鋰電池，所用材料無毒無危害。EOS的關鍵進步包括電解液化學性質的改變以及電池的設計。鋅空氣電池通常使用氫氧化鉀——一個從空氣中吸收二氧化碳的基本方法。這將產生碳酸鉀，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構，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生的物質使薄膜破裂而造成電池失效。EOS計劃融資2 000萬美元，到2013年做成兆瓦級電網應用系統。不過EOS也承認，要達到1萬次充放電的目標路還很長(圖2)。相比之下，另一個從事類似技術研究的主要競爭者 ReVolt Technology公司則希望在2013年前實現1 000次循環。

圖2 美國EOS公司千瓦級鋅空氣電池原型

德國奔馳汽車公司的MB410型電動廂式車，標準總質量為4 000 kg，采用150 kWh的鋅空氣電池,從法國的Chambery城越過阿爾卑斯山，連續爬坡150 km，山的最高處2 083 m，公路全程244 km，到達意大利的都靈，僅消耗了65%的電量(97.5 kWh)。該車從德國的不萊梅到波恩，最高車速達到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貨車、電動客車和電動服務車輛上，采用的鋅空氣電池比能量為180Wh/kg，比功率為100Wh/L，續駛里程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。

挪威科研機構SINTEF近幾年通過改進鋅電極以及內部濕度控制，實現了鋅空氣電池的充電技術。目前的可充電鋅空氣電池在實驗中已經實現了超過100次充放電循環，預計壽命可達到200次。SINTEF在瑞士成立的ReVolt公司專門負責鋅空氣充電電池的產品開發，移動設備的鋅空氣充電電池隨后也會推出。到上市時，其充放電壽命應可達到300到500次。另外，通過借鑒燃料電池結構，ReVolt表示鋅空氣充電電池未來還將應用在電動汽車當中，充放電壽命超過10 000次，不過這項技術目前距離實用還有很遠的距離。

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

在第63屆德國法蘭克福國際車展的最后一天，一款由來自中國臺灣和香港的研究人員組成的團隊(APET)研發的鋅空氣電池電動汽車廣受關注。這款新車大大降低了生產成本，解決了發電穩定性、漏電、封裝等一系列技術難題。APET研發的鋅空氣電池質量為 180 kg，能夠產生44 kWh的電量，續航能力達到350 km。如果要產生同樣電量，鋰電池的質量要達到360 kg。

博信電池(PowerZinc)現已研制出的鋅能源驅動電動公交車，一次續航里程超過320公里。博信是目前能把鋅空氣動力燃料電池技術推進到最接近產品化的公司，已得到美國政府的高度認可和支持，其技術已在美國申請了專利，并申請了包括中國在內的世界上126個國家的專利及優先權。博信的鋅空氣電池以充電時間短(幾分鐘)，持續時間長，動力強勁著稱，其示范車在美國拉斯維加斯運行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家整車資質審核，明年將投入示范運營。根據國家相關規劃，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，售價便宜2/3，續航里程多了近一倍。“采用鋅空氣電池的新能源車不需要充電。”該公司負責人說，“電池是循環利用，完全沒有污染。”目前，同樣型號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公交售價大約為90萬，而使用鋅空氣電池的售價不過30萬元。但由于它的比功率不足，最高時速僅60公里，不能達到小轎車的要求，不過非常適合公交車、微型動力車。

江蘇常熟合眾環保能源技術研究所的研究人員一直致力于鋅空氣電池研究。他們認為：若用鋅空氣電池來替代鋰電池，并以換電模式提供續能服務，以標準通用的電池模塊提高通用性，讓發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，當前困擾電動汽車發展的非技術原因就能得以解決，并以此來解決技術制約的瓶頸困擾，那么電動汽車商業化前景會豁然開朗，迎來光明前程”。

4 爭議

盡管有專家認為鋅空氣電池現在大多是炒作，玩概念，是實驗室里的理想狀態，實際要想做到大規模的批量化生產非常困難。而且，關于鋅空氣電池，以前曾鼓勵發展過，產業結構調整后，相關部門已經不鼓勵其發展，近年電池結構調整目錄已決定將其調整出去。但仍有業內人士認為，鋅空氣電池是真正意義上可循環使用的清潔無污染化學電源。放完電之后的氧化鋅經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。

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，相同質量的電池組其電量使原有電動汽車的續航里程增加一倍，接近燃油汽車的續航里程。若有更高效的發動機，節省電力，那么續航里程將更遠，超過燃油汽車一次加油的續航里程是有可能的。若裝備了與鋰電池相同質量的鋅空氣電池，其行駛里程可以增加到約160千米；出租車運營里程一天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。

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

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

此外，鋅空氣電池是反復循環的，整車出廠時不含電池成本，只需一個專門的電池艙即可，同時不需要電池管理系統、安全監控系統、車載充電器、插頭插座等，電動汽車只要具備電機驅動系統和調速控制器即可，這樣電動汽車的成本就不會高于同配置的燃油汽車了。

而且電動汽車使用鋅空氣電池，用戶不必考慮幾年后再換一組動力電池的投入。另外，鋅空氣電池不會產生爆炸事故，是穩定的化學電源，只需停止供應氧氣，就不反應不放電。同時它是固體，不會滲漏電解液，對道路及行人不會產生危害。

鋅空氣電池一旦規模擴大，能夠自動制作，成本會大大下降。如果一個城市的公交車、公務車、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，那么發電廠在谷電時段開工制作鋅空氣電池，利用谷電的低價位，可以使用戶最終花費很低，使電動汽車的電耗與目前價位的油耗費用更接近甚至持平，從而使電動汽車為市場所接受，具有一定的競爭力。