特斯拉金屬空氣電池能否終結(jié)“續(xù)航焦慮”

　　特斯拉繼成功申請(qǐng)混動(dòng)系統(tǒng)專利之后，近日又拿下金屬空氣電池的充電技術(shù)專利。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，如果該技術(shù)可實(shí)用，將進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。

　　人們對(duì)金屬空氣電池或許有些陌生，它們并不像鋰離子電池那樣在新能源汽車(chē)領(lǐng)域扮演著當(dāng)紅角色，但金屬空氣電池確實(shí)有著巨大潛力，一旦商業(yè)化，足以驚艷四座。早在2014年，美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy在蒙特利爾向大眾展示了具有超級(jí)續(xù)航能力的鋁空氣電池技術(shù)，這種金屬電池續(xù)航高達(dá)3000公里——3000公里是什么概念?從北京到海南，一路向南，不用充電!既然金屬空氣電池這么神奇，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航問(wèn)題能否就此解決呢?電池中國(guó)網(wǎng)對(duì)金屬空氣電池做一個(gè)全景掃描，希望這些信息對(duì)大家有所幫助。

　　金屬空氣電池有多種，目前已經(jīng)取得研究進(jìn)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(yáng)極、氧為陰極，以氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)水溶液為電解質(zhì)。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時(shí)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁。

　　優(yōu)點(diǎn)：鋁空氣電池具有無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染、可回收循環(huán)使用等特點(diǎn)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，鋁空氣電池還具有電池質(zhì)量輕、比能量大、不依賴電網(wǎng)充電等優(yōu)勢(shì)，可明顯降低汽車(chē)重量，增加汽車(chē)的續(xù)駛里程。據(jù)行業(yè)資料顯示，鋁空氣電池的理論比能量可達(dá)8100Wh/kg，目前的實(shí)際比能量約實(shí)現(xiàn)了350Wh/kg。

　　缺點(diǎn)：比功率較低，放電速度比較緩慢;電壓滯后;自放電率較大;需采用熱管理系統(tǒng)，防止鋁空氣電池工作時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象;放電過(guò)程中陽(yáng)極腐蝕會(huì)產(chǎn)生氫，導(dǎo)致陽(yáng)極材料過(guò)度消耗，還會(huì)增加電池內(nèi)部的電學(xué)損耗。

　　研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

　　國(guó)外：美國(guó)加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動(dòng)汽車(chē)上，曾有過(guò)只更換一次鋁電極續(xù)駛里程達(dá)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(xù)駛里程高達(dá)3000公里，一度引起轟動(dòng)。

　　國(guó)內(nèi)：2015年8月，云鋁股份聯(lián)合昆明冶金研究院設(shè)立創(chuàng)能公司，并落地了10MW的鋁空氣電池生產(chǎn)線;2015年，中國(guó)動(dòng)力與PHINERGY成立合資公司，計(jì)劃在大巴、旅游車(chē)、物流汽車(chē)及運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)等電動(dòng)車(chē)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(yáng)極材料工藝到電池?zé)峁芾砑颁X空氣電池管理系統(tǒng)等完整的核心技術(shù)，并研制出了100W~5000W等不同功率等級(jí)的鋁空氣電池模塊;目前，德陽(yáng)東深新能源公司研發(fā)制造的鋁空氣金屬燃料發(fā)電電池已正式量產(chǎn)，這也是鋁空氣電池在全國(guó)范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)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(zhì)，以鋅為陽(yáng)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。

　　優(yōu)點(diǎn)：比能量高，可達(dá)到340Wh/kg;重量是鋰電池的50%;續(xù)駛里程是鋰電池的200%;安全，放電性能穩(wěn)定，成本低廉。

　　缺點(diǎn)：電池容易發(fā)生爬堿漏液、電解液易因蒸發(fā)而干涸，外界CO2的進(jìn)入易使電解液碳酸鹽化，鋅電極容易發(fā)生腐蝕導(dǎo)致自放電。這些都會(huì)嚴(yán)重影響到鋅空氣電池的性能和質(zhì)量。

　　研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

　　國(guó)外：2015年8月，加拿大滑鐵盧大學(xué)“鋅空氣電池第一人”陳忠偉博士研究團(tuán)隊(duì)利用硅電極制備的鋅空氣電池能量密度，其密度在原基礎(chǔ)上提高了40%。

　　國(guó)內(nèi)：2011年國(guó)內(nèi)首個(gè)鋅空氣電動(dòng)公交車(chē)正式下線，該類(lèi)型純電動(dòng)城市公交車(chē)?yán)m(xù)駛里程達(dá)300公里，最高時(shí)速可達(dá)每小時(shí)80公里，其運(yùn)營(yíng)成本比傳統(tǒng)鋰電池電動(dòng)汽車(chē)低1/3;2014年11月，《電動(dòng)汽車(chē)用鋅空氣電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》正式實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電動(dòng)汽車(chē)用鋅空氣電池的要求、試驗(yàn)方法等多方面內(nèi)容;2015年，天津九能京通公司的鋅空氣燃料電池項(xiàng)目被列為天津市重大工業(yè)項(xiàng)目并通過(guò)國(guó)家863動(dòng)力電池測(cè)試中心產(chǎn)品檢測(cè)鑒定，形成了年產(chǎn)5萬(wàn)組新能源汽車(chē)用鋅空氣燃料電池組的生產(chǎn)能力，目前已投入商業(yè)化運(yùn)行。

　　3. 鋰空氣電池

　　工作原理：鋰空氣電池用鋰作陽(yáng)極，以空氣中的氧氣作為陰極。放電時(shí)，陽(yáng)極的鋰釋放電子后成為鋰陽(yáng)離子(Li )，Li 穿過(guò)電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣以及從外電路流過(guò)來(lái)的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過(guò)氧化鋰(Li2O2)，并留在陰極。

　　優(yōu)點(diǎn)：理論上具有大容量，可提供與汽油相當(dāng)?shù)哪芰?，電池比較輕小。

　　缺點(diǎn)：成本高昂，作為動(dòng)力電池，續(xù)駛里程不高。

　　研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

　　國(guó)外：2009年，日本研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池;2015年，英國(guó)劍橋大學(xué)研制的鋰空氣電池可循環(huán)充電2000次以上，該電池在理論上的能源使用效率超過(guò)90%;目前，美國(guó)IBM Almaden Reseach Center正在進(jìn)行鋰空氣電池研究，日本旭化成株式會(huì)社和Central硝子株式會(huì)社兩家企業(yè)參加了該項(xiàng)目，研究小組計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的大量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

　　國(guó)內(nèi)：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所張新波研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)抑制鋰空氣電池電解液分解，調(diào)控空氣電極固—液—氣三相界面以及優(yōu)化鋰—空二次電池體系與結(jié)構(gòu)，成功將鋰空氣電池循環(huán)壽命從文獻(xiàn)報(bào)道的最長(zhǎng)100次提高至500次。然而目前鋰空氣電池只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。

　　4. 鎂空氣電池

　　工作原理：通過(guò)空氣中的氧氣和金屬鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。

　　優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)存壽命可達(dá)10年以上;可在多數(shù)場(chǎng)合臨時(shí)使用，加清水或海水使之活化，活化后半小時(shí)內(nèi)即可使用;工作電壓十分平穩(wěn)。

　　缺點(diǎn)：鎂陽(yáng)極的反應(yīng)效率較低，空氣陰極的響應(yīng)速度較慢，盡管這種電池能夠儲(chǔ)存很多能量，但是將能量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的動(dòng)力十分有限。

　　研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展

　　國(guó)外：韓國(guó)研發(fā)的一輛搭載完整鎂空氣電池的電動(dòng)汽車(chē)能成功行駛800公里，是當(dāng)前鋰電池動(dòng)力汽車(chē)平均續(xù)航里程的4倍;日本多家機(jī)構(gòu)包括古河電池、尼康、日產(chǎn)汽車(chē)、日本東北大學(xué)、宮城縣日向市等，正積極推進(jìn)鎂空氣電池的大容量化研究;日本Agua Power公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)制造和商業(yè)化鎂空氣電池，并已注冊(cè)專利十多項(xiàng)。

　　國(guó)內(nèi)：2015年，寧波材料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室成功研制出1000Wh鎂空氣電池樣機(jī)，該鎂空氣電池的重量為2.3 kg，能量密度可達(dá)430 Wh/kg，最大輸出功率可達(dá)80W;2016年7月，南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院王衛(wèi)超教授、美國(guó)休斯敦大學(xué)姚彥教授聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，成功將錳基莫來(lái)石材料作為催化劑應(yīng)用于鎂空氣電池，大幅降低了成本，可在中性電解液中穩(wěn)定工作，其優(yōu)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(fā)現(xiàn)，金屬空氣電池中，鋁空氣電池和鋅空氣電池已經(jīng)開(kāi)始了規(guī)?；a(chǎn)，鎂空氣電池在日本有了小規(guī)模生產(chǎn)，而鋰空氣電池還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離商業(yè)化還有不小距離。鋁空氣電池的自身特性導(dǎo)致陽(yáng)極材料的過(guò)度消耗，鋅空氣電池電解液遭遇的瓶頸及電極自放電問(wèn)題，都大大阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程。如果金屬空氣電池不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，其續(xù)航優(yōu)勢(shì)并不能造福消費(fèi)者，對(duì)于人們的“續(xù)航焦慮”，金屬空氣電池只能是一個(gè)潛在解決方案，要大面積解決“續(xù)航焦慮”問(wèn)題，也許專注現(xiàn)有動(dòng)力鋰離子電池顯得更為實(shí)際。