鋅空氣電池發(fā)展前景分析

鋅空氣電池具有大電流持續(xù)放電的能力，目前國內(nèi)外對鋅空氣電池的研究開始轉(zhuǎn)向大功率的動(dòng)力電池。介紹了鋅空氣電池的研究現(xiàn)狀；論述了鋅空氣電池的充電模式；分析了鋅空氣電池在使用過程中存在的一些問題，并展望了其將來的發(fā)展前景。

所謂鋅空氣電池（zincairbattery），又稱鋅氧電池，主要是利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧，來作為正極活性物質(zhì)；而以鋅作為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液作為為電解質(zhì)的一種原電池。

九十年代，為滿足電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的要求，以色列Electric-Fuel Limited 重新開始研發(fā)專供電動(dòng)車輛用的機(jī)械更換陽極板式的二次鋅空氣電池。此后，這類動(dòng)力型的鋅空氣電池被美國燃料電池協(xié)會定名為“鋅空氣燃料電池”。隨后十余年，德國Kummrow N.A.、圣地亞哥Metallic Power、紐約Evionyx、挪威ReVolt、美國Fluidic相繼開始研發(fā)鋅空氣燃料電池。

近年來，可充電的鋅空電池在國外再次得到了重視。國外領(lǐng)先的鋅空電池開發(fā)公司借鑒在近年來在鉛酸、鋰電池、燃料電池等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，并應(yīng)用于鋅空電池，使得鋅空電池的性能得到了突破性的提升。如美國EOS公司、美國Imprint Energy公司、挪威REVOLT、美國Fluidic公司等。

國內(nèi)的北京長力開始研發(fā)鋅空氣燃料電池，香港中航集團(tuán)投資繼續(xù)開發(fā)，已用于電動(dòng)大巴并在北京奧運(yùn)會期間使用；2011年天津九能京通新能源科技公司投資3.3億元建設(shè)鋅空氣燃料電池項(xiàng)目，為國家863計(jì)劃科技成果。上海博信等始于1996年開始鋅空氣燃料電池及其全套鋅能源的研發(fā)。武漢泓元的一次鋅空電池汽車也已經(jīng)于2011年用于湖北漢川的公共汽車。

鋅空電池的目標(biāo)市場除可穿戴設(shè)備市場和無人機(jī)之外，包括通訊基站、電動(dòng)自行車、低速電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車、儲能等，每個(gè)市場的容量都非常巨大。

鋅空氣電池技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出

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(zhì)，以鋅為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。與傳統(tǒng)電池，特別是與鉛酸蓄電池相比，鋅空氣電池存在諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，綠色環(huán)保是亮點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)環(huán)保型新能源。由于鋅空氣電池不采用鉛、汞、鎘等重有毒的重金屬，因此其對環(huán)境的污染較小，同時(shí)不存在爆炸危險(xiǎn)，安全可靠。其次，成本低，蓄能大。原材料主要是空氣中的氧及價(jià)格低廉的鋅，故而材料易得。且它的容量比其它電池高3-10倍。如單體300安時(shí)圓柱體型鋅空氣電池，其重量僅為0.75kg，而同樣的鉛蓄電池的重量則大于8kg。與當(dāng)前主流鋰汽車電池相比，資料顯示，180公斤重量鋅空氣電池能夠產(chǎn)生44千瓦時(shí)電量，續(xù)航能力350公里，而同樣電量的鋰電池重量要達(dá)360公斤。最后，充電方面優(yōu)勢突出。多數(shù)蓄能電池存在頻繁充電的缺點(diǎn)，特別是鉛酸蓄電池不能長期深度放電，充電時(shí)間長給客戶帶來諸多不便。而部分型號的鋅空氣電池并不是蓄電池，而是利用鋅和空氣直接發(fā)電。簡單地說，在電池用完后，用戶只需更換封裝好的鋅粉，就可以重復(fù)使用，更換的時(shí)間在3分鐘內(nèi)即可完成。

鋅空氣一次電池研究現(xiàn)狀

鋅空氣電池發(fā)展到現(xiàn)在，其相關(guān)技術(shù)已不斷完善，各方面性能也有顯著提高，主要產(chǎn)品形式分為鋅空氣一次電池和鋅空氣二次電池，可以滿足多種用途的需求。

與其他一次電池相比，鋅空氣電池具有容量大、能量密度高、價(jià)格低廉、放電曲線平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。目前一次性電池產(chǎn)品除了常見的鈕扣式電池外也日益多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域相應(yīng)擴(kuò)大。

（1） 鈕扣式一次電池

早期的商品鋅空氣電池僅限于鈕扣式一次電池，安全性好且價(jià)格便宜。用于便攜式電子產(chǎn)品中，主要是助聽器。目前，這種電池的用途正在擴(kuò)大，因?yàn)楦吣芰棵芏戎饾u可以滿足各種用途的普遍要求，如電子手表、計(jì)算器、電子詞典等便攜式電子信息產(chǎn)品。

（2）其它結(jié)構(gòu)的一次電池

隨著圓柱型電池防漏問題的逐步解決，使實(shí)用圓柱系列鋅空氣電池的生產(chǎn)與推廣工作得以實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)用在手機(jī)上的方形電池的研究在國內(nèi)一些研究單位也取得了不錯(cuò)的成果。先將鋅空氣電池推向移動(dòng)電話應(yīng)用領(lǐng)域的是以色列Electric Fuel公司，針對于Motorola 手機(jī)使用，試驗(yàn)階段可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)通話6.2H ，期望最終達(dá)到連續(xù)通話10H以上。這種電池與鋰離子電池、MH-Ni電池相比在價(jià)格、重量、通話時(shí)間等性能方面都顯示出顯著的優(yōu)越性。武漢大學(xué)也研制出方形結(jié)構(gòu)的用于移動(dòng)電話的鋅空氣電池，電池組比能量高達(dá)220Wh/kg 最大輸出功率可達(dá) 3.6W，并且其綜合性能完全滿足移動(dòng)電話的使用要求。

另外，鋅空氣儲備電池也受到關(guān)注，這種電池相對體積小，儲能大，廣泛應(yīng)用于軍用裝置、航海照明、野外勘探等方面。

鋅空氣二次電池研究現(xiàn)狀

近年來電動(dòng)車發(fā)展迅速，給鋅空氣電池提供了廣闊的發(fā)展空間。鋅空氣電池具有能量高、零污染、不燃爆、可循環(huán)利用等特點(diǎn)，非常適宜用作城市電動(dòng)車的動(dòng)力電源，具有很大的開發(fā)潛能，使得人們對它的研究逐步轉(zhuǎn)移到大功率動(dòng)力電池上？ 鋅空氣二次電池也成了各研究機(jī)構(gòu)的開發(fā)重點(diǎn)。鋅空氣二次電池主要有直接再充式鋅空氣電池、機(jī)械更換式鋅空氣電池、鋅空氣燃料電池等。

（1）接可再充式鋅空氣電池

直接再充式鋅空氣電池是直接對鋅空氣電池的鋅電極充電，在此過程中存在很多的問題。如鋅在堿性溶液中的電化學(xué)活性很大，同時(shí)熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，充電產(chǎn)物鋅酸鹽在強(qiáng)堿溶液中溶解度較高，因此電極容易出現(xiàn)變形、枝晶生長、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極逐漸失效。另外，空氣電極可逆性差，且在大氣環(huán)境中電解液容易碳酸化，而且，電解液受空氣濕度的影響較大。當(dāng)相對濕度較低時(shí)，電池將損失水分，導(dǎo)致電解液不足，使電池失效；當(dāng)空氣相對濕度較高時(shí)，電解液變稀，導(dǎo)電率降低，還有可能淹沒氣體電極的催化層，降低電極活性，導(dǎo)致電池失效。因此，可再充式鋅空氣二次電池的應(yīng)用受到了一定的限制

（5）機(jī)械充電式鋅空氣電池

鑒于直接可再充式鋅空氣電池存在的問題難以得到解決，科研人員在研究過程中根據(jù)鋅空氣電池的放電特征及自身的特點(diǎn)，建立了新的二次鋅空氣電池充電理念———機(jī)械式 “充電”?！∷^機(jī)械式“充電”是指在電池完全放電后，將電池中用過的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個(gè)電池完全更換掉，整個(gè)過程所用的時(shí)間為 3-5min. 鋅電極氣電池可在超市、電池經(jīng)營點(diǎn)、汽配商店等購買，對普及以鋅空氣電池作為動(dòng)力的電動(dòng)車十分有利。使用過的鋅電極或鋅空氣電池拿到專門的鋅回收利用廠進(jìn)行回收再加工，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保無污染。

近年來？ 以色列科學(xué)家對電動(dòng)車用機(jī)械再充式鋅空氣電池作了深入的探討。據(jù)J.R.Goidsrein等報(bào)道，他們研制的這類電池組比能量達(dá)到180-200W/Kg，在80%放電深度時(shí)，峰值比功率可達(dá)到100W/KG。他們采用的電池模塊由22 片單體電池組成，電容量達(dá) 250ah總能量為 6.25KWH 。整個(gè)電池組由24 個(gè)模塊組成，整體總能量為 150kwh，質(zhì)量約800kg。僅更換一次鋅電極，車輛行駛里程即可超過300km ，這一鋅空氣電池組已成功地用于德國郵政車輛上。更換鋅電極和鋅電極的再生工作由專門的充電站來完成。

中國科技大學(xué)研究小組在這方面也做了一些工作，他們研制的用于電動(dòng)自行車的動(dòng)力電池有 4 個(gè)模塊，每個(gè)模塊10片單電池，整個(gè)電池組質(zhì)量約8kg， 比能量達(dá)到200wh/kg ，放電深度70%以上。該小組已基本完成單臺自行車行車、電池再生的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。更換下來的氧化鋅混合物在電解槽內(nèi)進(jìn)行回收處理，電解鋅可經(jīng)過簡單處理再重新制成鋅電極。

（3）鋅空氣燃料電池

鋅空氣燃料電池的概念是依據(jù)現(xiàn)有的燃料電池提出的，基本原理與機(jī)械式“充電”相似，都是更換鋅極活性物質(zhì)。鋅空氣燃料電池是將配制好的鋅膏源源不斷地送入電池內(nèi)，同時(shí)將反應(yīng)完畢的混合物排出電池外，同時(shí)還要保證電池運(yùn)行時(shí)有足夠的氧氣供應(yīng)。這樣電動(dòng)車只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，盛放足夠的燃料便可實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛。然后按時(shí)更換燃料罐，取走反應(yīng)生成物即可。

鋅空氣燃料電池在基本原理上已不存在問題，特別是在鋅膏配制攪拌方面，關(guān)鍵在于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這種設(shè)想所存在的問題主要是鋅膏如何輸送到電池中去，反應(yīng)完畢的生成物如何從電池中排出而又不損壞電池其他部分。由于鋅膏的黏度大，不能像氣體和液體那樣采用泵來輸送，只能采用擠壓或其他方式。鋅膏經(jīng)放電反應(yīng)后生成物的成分復(fù)雜，很難將其排出電池體外。正因?yàn)檫@些問題很難得到解決，鋅空氣燃料電池至今一直停留在實(shí)驗(yàn)階段。

存在的主要問題

氣體擴(kuò)散電極

鋅空氣電池的氣體擴(kuò)散電極是整個(gè)電池的能量轉(zhuǎn)換器，氣體擴(kuò)散電極的質(zhì)量與性能的優(yōu)劣已成為二次電池發(fā)展的瓶頸，目前氣體擴(kuò)散電極存在的主要問題是使用壽命及催化活性

（1）使用壽命

鋅空氣電池正極是以空氣中的氧氣為活性物質(zhì)，它是通過載體活性碳做成的電極進(jìn)行反應(yīng)的。在放電過程中# 碳電極在理論上是不損耗的，可以連續(xù)使用。但是由于氣體擴(kuò)散電極是多孔體，本身機(jī)械性能不強(qiáng)，長期浸泡在濃堿溶液中，吸附二氧化碳和空氣中的粉塵等，改變了多孔體反應(yīng)活性區(qū)的環(huán)境，嚴(yán)重影響了氣體擴(kuò)散電極的使用壽命。這些問題目前基本還沒有找到可行性的解決方案。對于碳酸化的問題可以采用純氧系統(tǒng)代替空氣來得到改善，但是這樣無疑大大增加了鋅空氣電池的成本?；钚蕴课叫詮?qiáng)，可以利用這一點(diǎn)對其進(jìn)行預(yù)處理，先使其微孔里填滿活性催化劑，一方面碳電極在反應(yīng)過程中就無法再吸附其他物質(zhì)，不容易在使用過程中被其他物質(zhì)染，另一方面可以增加催化劑的利用率，提高反應(yīng)性能。據(jù) S.Gamburzev. 等人報(bào)道，使活性炭微孔里吸附上銀，由此制作的氣體擴(kuò)散電極的使用壽命會相應(yīng)延長

（2）催化活性

催化劑的性能及添加量影響著電極性能的發(fā)揮，同時(shí)在很大程度上也限制著鋅空氣電池的大規(guī)模商業(yè)化。采用鉑等催化物價(jià)格太貴，換成了碳黑、石墨和二氧化錳的混合物，雖然成本降低了但活性也隨之降低。

鋅電極

鋅電極作為鋅空氣電池的負(fù)極反應(yīng)物，與正極反應(yīng)物氧氣反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。而氧來自空氣，所以鋅空氣電池在工作時(shí)應(yīng)是一個(gè)開放的體系。但是，如果將鋅空氣電池暴露在空氣中，即使在非工作狀態(tài)，活潑金屬鋅也會與空氣中的氧反應(yīng)。所以鋅空氣電池的商業(yè)化設(shè)計(jì)要求是，一方面在工作狀態(tài)下有足夠的氧氣供應(yīng)；另一方面在非工作狀態(tài)下能夠密封，隔絕空氣。另外，鋅電極鈍化及自腐蝕問題也是制約鋅空氣電池性能的重要方面，解決這個(gè)問題的主要方法就是添加一些抑制劑，抑制其自放電

展望與總結(jié)

目前我國電動(dòng)自行車大多采用鉛蓄電池作為動(dòng)力，其最大的弊端是不利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)性發(fā)展。這種電池容量僅為10AH左右，充電時(shí)間長，充一次電的最大續(xù)行里程為50km。而且在充放電過程中，極板容易變形，電池性能急劇下降，所以一般兩年內(nèi)需要更換電池。由于以上的種種不足，電動(dòng)車用鉛蓄電池勢必為更加優(yōu)越的新型電池所替代。

首先是氫氧燃料電池引起人們的關(guān)注，近年來許多研究機(jī)構(gòu)也投入了大量資金加大研發(fā)力度。這種電池雖然具有很多自身優(yōu)勢，但在氫能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存等方面還存在尚未解決的難題，很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。其它的如 mh-ni 電池、鋰離子電池因成本太高，不易為廣大消費(fèi)者所接受。

鋅空氣電池?zé)o論在性能方面，還是在成本方面，其綜合性價(jià)比有著顯著的優(yōu)勢。綜合各種因素，我們認(rèn)為，鋅空氣電池盡管還有待于進(jìn)一步完善，但也很有可能成為電動(dòng)自行車電源的最佳選擇之一，有著深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

鋅空氣電池從整體來講是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)過各國科學(xué)家數(shù)十年的努力，至今已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但要使鋅空氣電池真正走上商業(yè)化的道路，還需要很多人的更多努力。