新能源之我見

胡晉瑋

摘 要：金屬空氣電池是一種新型的特殊燃料電池，也是一種可循環使用的綠色環保電池。它的金屬材料來源廣泛、儲量豐富、成本低廉，并且可再生利用，是傳統燃料電池的理想替代產品，具有廣泛的發展空間和應用前景。

關鍵詞：金屬空氣電池;綠色環保;新型能源;比能量高

中圖分類號：U469. 72 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0249-02

0 引言

金屬空氣電池（Metal Air Battery）是一種特殊的新型燃料電池，也是一種可循環使用的綠色環保電池。它具有比能量高、穩定性強、性價比高、無毒害、無污染等特點。它的金屬材料來源廣泛、儲量豐富、成本低廉，并且可再生利用，是傳統燃料電池的理想替代產品，具有廣泛的發展空間和應用前景。

金屬空氣電池作為一種高性價比的綠色新型能源，可選用的金屬原材料比較豐富，目前已取得研究進展的，主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池、鈣空氣電池、鐵空氣電池等。這幾類金屬空氣電池，有的已進入規模化生產，有的已具備量產條件，有的還只是停留在實驗室研究階段。

通過世界各國科學家們的努力，金屬空氣電池的應用研究已取得了巨大的發展。金屬空氣電池可作為動力電池能源，為新能源汽車、大型無人機、智能機器人等提供動力來源;在為水下機器人提供動力來源的同時，其電池氧化反應后又可為科考人員提供氧氣來源。金屬空氣電池作為電力儲備能源，可為無法通電的偏遠山區架設通訊發射基站，提供穩定、持續的電力保障;應用在抗震救災、應急救援等領域，可為照明設備、通訊設備、救災設備、電子儀器等提供應急電力供應……

1 金屬空氣電池的發展歷程

在國外，關于金屬空氣電池的研究最早可追溯到19世紀50年代。1850年，Hulot設計了一種以鋅汞作負極、鋁作正極、稀硫酸作電解液的初級電池。從那時起，鋁就被用做了電池的電極使用。1857年，在Buff電池的設計中，鋁首次被作為電池的負極使用。1893年，C·H·Brown為汞化鋁-鋅合金作負極、石墨碳作正極的電池裝置申請了專利[1]。

20世紀50年代，S·Ruben取得了突破性進展，將鋁作為負極材料應用在Laclanche電池中，此項研究獲得了發明專利。60年代，Zaromb和Trevethan等人提出了鋁空氣電池的概念，發現了氧化鋅和某種有機化合物的存在，可以明顯的減緩汞化鋁在電解液中的腐蝕速度。70年代以后，以熔鹽和非水電解質的鋁二次電池的研究，獲得了巨大的發展。之后，外國的科學家們陸續發明了以電極電位較負的金屬（如鋁、鋅、鎂、鋰、鈣、鐵等）作為負極，以空氣中的氧（或純氧）作為正極的金屬空氣電池。

相對于國外，我國金屬空氣電池方面的研究起步較晚，研究機構也不多。哈爾濱工業大學在20世紀80年代，開始從事鋁空氣電池方面的研究，1983年完成了陽極四元鋁合金的研究，90年代完成了3W中性鋁空氣電池的樣品研制。天津大學在90年代初，成功研制出船用大功率中性電解液鋁空氣電池組。另外，武漢大學、浙江大學、上海交大等高校，以及北京有色金屬研究總院，也在金屬空氣電池的研究方面，做出了卓有成效的探索[2]。

2 金屬空氣電池的結構原理及特點

金屬空氣電池是以金屬為燃料，與氧氣在電解液中發生氧化還原反應，從而產生電能的一種特殊燃料電池（如圖1）。金屬空氣電池以活潑金屬（如鋁、鋅、鎂、鋰、鈣、鐵等）作負極，以空氣中的氧（或純氧）作正極，以堿性溶液作電解液，發生的化學反應與普通化學電池相同。

金屬空氣電池的主要特點包括：

（1）比能量高。金屬空氣電池是一種新型的高比能量電池，理論比能量可達到2290W·h/kg，實際研發的產品比能量已達到了300～400W·h/kg，遠高于目前其它各類電池的比能量（如表1）。（2）比功率中等。空氣電極的工作電位遠離其熱力學平衡電位，交換的電流密度小，電池放電時極化較大，導致了電池的比功率只能達到50～200W/kg。（3）性能穩定。電解液采用了堿性溶液，可以在很高的電流密度下工作，如果再采用純氧代替空氣，放電性能還可以大幅度提高，從而提供持續穩定的電力來源。（4）性價比高。金屬電極采用的負極材料均為儲量巨大的非貴重金屬，所以價格便宜，性價比較高。（5）使用壽命長。金屬電極可以不斷更換，所以空氣電極的使用壽命決定了金屬空氣電池的使用壽命。（6）綠色環保。金屬空氣電池的電化反應只消耗金屬電極、氧氣和電解液，反應生成的物質可二次回收利用，無毒害污染。（7）適應性強。金屬空氣電池的結構和使用的金屬電極材料，可根據使用環境和要求作出相應的變動，具有較強的適應性[3]。

3 金屬空氣電池的應用前景

電動汽車的發展已成為一種必然趨勢，它使用新能源取代汽油作為動力來源，緩解了世界石油資源枯竭的問題，是一種零排放、無污染、綠色生態的交通工具。金屬空氣電池作為一種新型能源，可應用在電動汽車、電動摩托車、電動自行車、無人飛機、水下機器人、游艇、裝載車、運輸車、叉車、高爾夫球車等電動車輛上，既生態又環保。

在一些偏遠地區或海島，網絡通訊信號的發射基站無法遠距離架設電線，造成了該地區無法實現網絡通訊信號的覆蓋。采用金屬空氣電池作為電力來源，不需要長距離架線，可長期穩定、持續的為網絡通訊信號發射基站、海洋浮標信號發射器等，提供充足的電力保障。

當遇到地震塌方、山洪爆發、臺風海嘯、洪水泥石流等重大地質災害，而出現電力中斷時，往往會伴隨著通訊中斷、無法照明、無法啟用廣播等電力設備。使用金屬空氣電池作為大功率儲備電源，可在應急救援時為網絡通訊、廣播電臺、應急照明等電力設備提供儲備應急充電，關鍵時候解救危難。

加拿大鋁能源公司與多倫多大學、Eontech公司組成聯合集團，開發出一種小型便攜式金屬空氣電池，應用在移動手機、筆記本電腦、數碼照相機、電子游戲機等電子產品領域，實現了一次性通話時間長達2～3小時，累計通話時間24小時，其容量是同規格鋰電池的10倍以上[4]。

4 結語

新能源的開發，已成為世界范圍內解決能源危機的重要舉措。金屬空氣電池作為一種高性能的綠色新型能源，有著無比優異的性能和超高的性價比，是替代傳統電池的理想產品。

它無論從軍事國防、工業領域、民用領域，還是在抗震救災、應急救援等領域，都有著無可比擬的巨大優勢。一旦金屬空氣電池的應用技術得到突破，實現了規模化量產，其市場前景將無比廣闊。

參考文獻

[1] 舒方霞.鋁-空氣燃料電池鋁基合金陽極的制備及性能測試[D].沈陽：東北大學，2004.

[2] 王俊波.鋁在堿性介質中的腐蝕與電化學行為[D].杭州：浙江大學，2009.

[3] 趙少寧，李艾華.鋁空氣電池的研究現狀和應用前景[J].電源技術，2014（10）：1969-1970.

[4] 徐艷芳，鄭克文.金屬空氣電池的發展及應用[J].艦船科學技術，2003，25（1）：68-69.