金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。
金屬空氣電池以活潑的金屬作為陽(yáng)極，具有安全、環(huán)保、能量密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景，甚至被寄予厚望替代當(dāng)前新能源汽車(chē)主要的動(dòng)力電池類型—鋰離子動(dòng)力電池。
制作金屬空氣電池，可選用的原材料比較豐富。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、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等。這幾種類型的金屬空氣電池有的已經(jīng)具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件，有的還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，有的已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)方面取得良好的應(yīng)用成果，并即將大規(guī)模裝載新能源車(chē)輛。
本文將分別介紹上述幾種金屬空氣電池的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展。
一、鋁空氣電池
1、工作原理
鋁空氣電池以高純度鋁Al(含鋁99.99%)為負(fù)極、氧為正極，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。
2、特點(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)，鋁空氣電池具有質(zhì)量輕、比能量大的顯著特點(diǎn)。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，是鋰電池的2.3倍，鎳氫電池的6倍，鉛酸電池的7倍多。
這種電池對(duì)于減輕汽車(chē)重量，增加續(xù)航里程具有明顯的幫助。
3、研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展
國(guó)外：
據(jù)相關(guān)資料，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，有過(guò)只更換一次鋁電極續(xù)駛里程達(dá)1600km的記錄。
美鋁加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的鋁空氣電池儲(chǔ)存了可行駛3000公里的足夠電量。
國(guó)內(nèi)：
云鋁股份與昆明冶金研究院共同出資組建創(chuàng)能鋁空氣電池股份有限公司，投資鋁-空氣電池研發(fā)項(xiàng)目。目前，創(chuàng)能鋁空氣電池研發(fā)項(xiàng)目正在推進(jìn)中。
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。并計(jì)劃在大陸、香港、澳門(mén)進(jìn)行推廣。
二、鎂空氣電池
1、工作原理
2、特點(diǎn)
能量密度高、理論電壓高、清潔安全。鎂儲(chǔ)量豐富，具有成本優(yōu)勢(shì)。
鎂空氣電池的能量密度可達(dá)重量相等的鋰電池的10倍。
不足之處在于，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。
3、研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展
國(guó)外：
據(jù)了解，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)、宮城縣日向市等產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)和政府部門(mén)正積極推進(jìn)鎂空氣電池的大容量化研究。
日本AguaPower公司已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)制造和商業(yè)化鎂空氣電池，現(xiàn)已注冊(cè)專利16個(gè)。
國(guó)內(nèi)：
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)。
1000Wh鎂空氣電池樣機(jī)演示圖
該電池由5個(gè)單體電池串聯(lián)而成，以AZ31鎂合金為陽(yáng)極，以10%的NaCl溶液為電解液，以上述空氣擴(kuò)散電極和錳氧化物催化劑為陰極。該鎂空氣電池的外觀尺寸為200×150×150mm3，重量為2.3kg，能量密度可達(dá)430Wh/kg，最大輸出功率可達(dá)80W。
某公司生產(chǎn)的鎂空氣電池使用水作為電解液，其自帶的LED燈可持續(xù)照明90至100小時(shí)，一次可為20部智能手機(jī)充電。這種鎂空氣電池作為應(yīng)急電源應(yīng)用。
三、鋅空氣電池
1、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。
陽(yáng)極：Zn2OH–→ZnOH2O2e–
陰極：O22H2O4e–→4OH–
綜合：2ZnO2→2ZnO
2、特點(diǎn)
比能量高，可達(dá)到340Wh/kg。安全、放電性能穩(wěn)定、成本低廉。重量是鋰電池的50%，續(xù)駛里程是鋰電池的200%，初裝價(jià)格約為鋰電池的40%。
3、研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展
國(guó)外：
加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉博士及其團(tuán)隊(duì)的研究取得了顯著的進(jìn)展。
國(guó)內(nèi)：
“車(chē)用鋅空氣電池項(xiàng)目”被列入國(guó)家863重大科技專項(xiàng)一。
國(guó)內(nèi)某鋅空氣電池制造公司聯(lián)合某整車(chē)制造商計(jì)劃今年推出500輛12米裝載鋅空氣電池的純電動(dòng)公交車(chē)，整車(chē)造價(jià)百萬(wàn)，其中電池價(jià)格約為40萬(wàn)。
根據(jù)計(jì)劃該公司2017年將生產(chǎn)出滿足3000輛電動(dòng)汽車(chē)使用的鋅空氣動(dòng)力電池。
四、鋰空氣電池
1、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。鋰空氣電池的開(kāi)路電壓為2.91V。
2、特點(diǎn)
鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。不足之處在于，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化尚需要10年左右的時(shí)間。
3、研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展
國(guó)外：
英國(guó)劍橋大學(xué)所研制出的鋰空氣電池能夠循環(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%。
2009年，日本研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出了新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。
美國(guó)IBMAlmadenReseachCenter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)：
中科院成功研制出鋰空氣電池單體。
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