空氣電池:氧化劑取自空氣中的氧的化學電池-中文百科頻道

基本介紹

化學電池的一種。構造原理與幹電池相似，所不同的隻是它的氧化劑取自空氣中的氧。例如有一種空氣電池，以鋅為陽極，以氫氧化鈉為電解液，而陰極是多孔的活性炭，因此能吸附空氣中的氧以代替一般幹電池中的氧化劑（二氧化錳）。

應用：未來用于海上指示燈、應急燈等

PS：在名偵探柯南“巧克力的火熱陷阱”中有提到。

工作原理

一空氣電極或陰極

在空氣電池中，氧被電化學還原為氫氧根離子：

反應快速發生的條件是：A.反應所需要的足夠的催化劑B.有一種電子導體能提供所需的電子。反應發生在能導電的催化的電極表面上，同時與氧及電解液接觸（簡稱三相界面）。這個過程的熱力學可逆電勢相對于相同電解液的氫電極為1.23伏，理論上，這個電勢值應具有穩定性。實際測定的電勢隻達到1.00伏或1.05伏。空氣電極在開路（電流等于零）時電勢的損失，其原因是電極反應不按如下的直接路線進行

①而是按産生中間産物過氧根離子的另一路線進行如下

②離子又在電極表面經化學分解：

③随之氧又回到原反應②去。反應②的可逆熱力學電勢值為0.83伏；反應①的可逆熱力學電勢值為1.23伏。因此設想當反應①和反應②混合進行時，其電勢值可以在兩值之間某值處穩定下來，但電化學工作者對這種反應的真相和電極的電勢值降低的真實原因尚無定論。

二金屬電極或陽極（Zn）

金屬空氣電池陽極有多種，真正實用的商品電池是中性或堿性鋅空氣電池。鋅在堿性溶液中産生氧化鋅：在過量的堿中，形成可溶性的鋅酸根離子：金屬鋅電解液接觸比較穩定，電化當量較高，價格較低，供應方便。PS系列膠體堿性鋅空電池重量和體積比能量分别達到300Wh/kg、600Wh/L，或更高。

三電解液

空氣電極使用電解液直接與空氣接觸，一般采用含水的電解液，堿性和酸性電解液均有缺點，堿性電解液會被空氣中的二氧化碳污染，酸性電解液會與低廉的催化劑作用使之腐蝕，同時也腐蝕空氣電極集流體。實用上一般還能容許堿性電解液的缺點。也有采用近乎中性的含水電解液。

發展前景

成本低比容量大

傳統锂離子電池的瓶頸，有望被金屬空氣電池突破。

近日，世界上第一個新型空氣燃料電池“STAIR”（即“聖安德魯斯空氣”的英文首字母縮寫）在英國揭開神秘面紗，這種電池的儲電能力是傳統電池的10倍。

日本産業技術綜合研究所發布消息說，來自該所和日本學術振興會的研究人員研發出一種新型锂空氣電池，這種無需充電、放電性能優越的燃料電池将來可為車輛提供動力。

在我國，鋅空氣電池和鋁空氣電池已列入研發範圍。有人認為，金屬空氣電池将成為21世紀理想動力源，大有代替锂電池一舉稱霸電池市場的态勢。

破解锂電池成本、容量難題

随着純電動汽車、燃料電池汽車被作為國家相關政策的鼓勵方向，制約它産業化的電池問題越發突出。“目前大家看好的锂離子電池成本太高，容量不大。電動汽車如要突破，必須研發更理想的電池。”近日，國内某汽車企業新能源汽車研發部門相關人士對記者說。

金屬空氣電池（metal-airbattery)被寄予厚望。據了解，這類電池是特殊的燃料電池，是新一代綠色蓄電池，構造原理與幹電池相同，所不同的隻是它的去極劑取自空氣中的氧。它的制造成本低、無毒、無污染、比功率高、比能量高、原材料可回收再生利用，與燃料電池汽車（FCHV）所用氫燃料電池相比，結構簡單，價格十分便宜，并且性能優越。

國家“863”項目一位車用電池專家介紹，目前世界上有若幹種金屬空氣電池，包括鋅空氣電池、鋁空氣電池和锂空氣電池等。他告訴記者，前兩種已經進入我國研發範圍，與産業化最接近的隻有鋅空氣電池。

以鋅空氣電池為主要産品的中航長力聯合能源科技有限公司相關負責人介紹，鋅空氣金屬燃料電池的主要優勢表現在，鋅空氣金屬燃料電池的正極活性物質是空氣中的氧氣，不占用電池體積。因此電池内部可以攜帶更多的鋅，比能量更高，目前已達到每千克180瓦時，作為汽車動力電池，續駛裡程長。鋅空氣金屬燃料電池中的鋅為循環使用，對環境零污染。生産電池的原材料豐富，成本低，是锂電池的五分之一。

鋅空氣電池受青睐

去年9月底，上海市發改委主持召開了“鋅空氣電池應用于城市客車研讨會”，希望上海申沃客車進一步加強與博信電池有限公司的合作溝通，盡快使鋅空氣電池應用于城市客車。據了解，博信公司的外方是美國博信（PowerZinc）電池公司，主要研發、制造新型鋅空氣動力燃料電池。

今年3月，中國航空工業集團公司宣布，與北京長力聯合能源技術有限公司聯合成立中航長力聯合能源科技有限公司（下稱“中航長力”），以及北京鋅空氣電池研究中心。未來3年，中航長力将斥資5億元，推動北京市鋅空氣電池産業化。

據中航長力的相關負責人介紹，目前，公司推出的車用注入式鋅空氣電池及配套系統，配裝北京理工大學研制的BFC6110EV型純電動旅遊客車，累計運行近1萬公裡。2007年11月，車用注入式鋅空氣電池列入國家“863”計劃，截至目前已申請專利30餘項。2009年公司的動力型機械插塊式鋅空氣金屬燃料電池被列入北京市首批20個政府采購自主創新産品目錄。

中航長力得到北京市政府的大力支持。2010年，北京市安排該公司的5輛電動客車和環衛車進行運行測試，另安排50輛電動客車和電動環衛車投入市公交和環衛系統的試驗運行，在北京市相關部門指定線路進行路試，為市場化運作提供可靠依據。

空氣電池能否擔當大任

目前，國内鋅空氣電池已形成“南有博信、北有長力”的格局。不過，一種看似完美的新型動力電池，為何隻有幾家公司投資？

汽車電池資深專家傅世樞介紹，在諸多種類的金屬空氣電池中隻有鋅空氣電池得到實用，曾被以色列用于純電動汽車，盡管近年先後被德、法、瑞典等國的汽車公司用于研制純電動汽車，可是未修成正果。

“雖然鋅空氣電池自身具有比能量大、成本低的優點，但是仍沒突破自身技術瓶頸。”國家“863”項目一位車用電池專家說。

天津清源電動車輛有限公司研究院院長、總工程師趙春明告訴記者，鋅空氣電池的緻命缺陷是不可充電，屬于一次性電池。“據我所知，世界上有兩家有名的鋅空氣電池公司，一家來自美國，現在已經實現充放電500次，另外一家是歐洲Re?鄄Volt公司，其電池能充放電200次。不過與磷酸鐵锂電池相比，次數還是太少了。”

據中航長力相關負責人介紹，他們使用機械插塊式技術，可以實現電池的可充電性。當鋅空氣電池放電結束後，需要将負極闆取出集中到電解還原廠還原，同時為空電池殼裝入新的負極闆實現電池充電，并負責為客戶配送充好電的電池。

這位負責人表示，鋅空氣電池還有改善空間，比如現在這種電池的空氣電極壽命約為300次，2~3年。裝車後要根據路況和車速采用不同的電池組合，如果車速在30~40公裡/小時，路況好，隻需要鋅空氣電池就行；如果爬坡，就需要采用電電混合的形式，比如與超級電容、鎳氫電池混合。

锂空氣電池是理想之選

“在金屬空氣電池中，最有潛力的是锂空氣電池。”汽車電池資深專家傅世樞接受本報記者采訪時表示，金屬空氣電池是未來取代锂離子電池的理想之選，锂空氣電池的優勢最為明顯。

談起锂空氣電池，傅世樞贊不絕口。據他介紹，目前，這項技術已被日本研究機構掌握，日本汽車公司對這種電池技術的興趣濃厚。“锂離子電池驅動的電動汽車，續駛裡程不過100多公裡，如果換成同等大小的锂空氣電池，續駛裡程能夠接近1000公裡”。

锂空氣電池不是新概念，過去名氣小，原因是它存在緻命缺陷，即固體反應生成物氧化锂（Li2O）會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導緻放電停止。

2009年3月，日本産業技術綜合研究所能源技術研究部門能源界面技術研究小組組長周豪慎和日本學術振興會（JSPS）外籍特别研究員王永剛，共同開發出大容量锂空氣電池，他們通過将電解液分成兩種來解決上述問題。在負極（金屬锂）一側使用有機電解液，在正極（空氣）一側使用水性電解液，兩者之間用固體電解質隔離，防止兩種電解液混合。中間的固體電解質隻有锂離子能通過。新型锂空氣電池放電反應生成的固體物質不是氧化锂，而是易溶于水性電解液的氫氧化锂。這樣不會引起正極的碳孔被堵塞，從而解決了以往锂空氣電池固體反應生成物阻礙電解液與空氣接觸的問題。

此外，在實驗中，研究人員分别用堿性水溶性凝膠和堿性水溶液作正極的電解液，結果發現，這種新型锂空氣電池的放電性能比以往該類型電池大幅提高，特别是如果用堿性水溶液作正極電解液，使電池在空氣中以0.1安培／克的放電率放電，電池可連續放電20天。

據了解，這種新型锂空氣電池無需充電，隻需更換正極的水性電解液，通過卡盒等方式更換負極的金屬锂就可以連續使用。正極生成的氫氧化锂可以從使用過的水性電解液中回收，再提煉出金屬锂，金屬锂則可再次作為燃料循環使用。

在傅世樞看來，锂空氣電池的優勢十分明顯，理論比能量為11140Wh/kg，是當代锂離子蓄電池的300倍。由于锂空氣電池的負極不需要化學加工，锂空氣電池也不需要化學工藝處理，制造成本僅為普通锂離子蓄電池的60%。“一旦锂空氣電池實現産業化，便可推動各類電動汽車全面産業化，取代目前的锂離子蓄電池，成為新能源汽車動力源”。

據傅世樞分析，未來，不論锂離子蓄電池，還是鋅空氣電池、鎂空氣電池，都會有自己的市場。前者已大量用于手機、筆記本電腦和電動摩托車，後者用于醫療器械、水下設施等，而要作為純電動汽車的動力電池組，可能非锂空氣電池莫屬。“新一代锂空氣電池已解決了電池本身的各類技術難題，剩下的問題是如何加速産業化，大量生産。目前，還沒聽說我國有企業和機構研發這項技術。”傅世樞說。

電池研發要着眼未來

如果锂空氣電池實現大規模生産，锂離子電池在電動汽車領域還有沒有生存空間？答案很清楚，誰都會選擇比能量更大、成本更低的锂空氣電池。正如一些車用電池專家所言，中國電池技術的研發，要顧及眼下，更要着眼未來。

當前，産業化成為我國新能源汽車努力的方向。國家在财政上對購買新能源汽車的私人用戶進行補貼，用心良苦。在電池研發上，主要是滿足現有的産業化需求。從國内電池研發情況看，研發力量集中在傳統電池上，試圖通過電池技術的更新換代，提高比能量，以便增加續駛裡程。

當前，令人擔憂的是，傳統電池技術已經遭遇瓶頸，一些悲觀的人甚至斷言我國新能源汽車走入死胡同。盡管事實沒有那麼糟糕，但是對于未來的技術儲備，我們還做得不夠。筆者認為，在堅持傳統電池技術研發的同時，更應放眼未來。比如日本研發的锂空氣電池，雖然在短時間内很難實現大規模生産，但從本身的性能看，在未來毫無疑問能夠大展身手。

技術的更替日新月異，同時冷漠無情。回首科學技術發展的曆史，一項新技術被更新技術淘汰的例子比比皆是。新能源汽車作為我國的新興戰略性産業，在關鍵零部件上，應當吸取教訓，努力避免此類事情發生。在電池技術研發上，應時刻跟蹤世界前沿技術，加緊技術儲備，迎接未來激烈的競争。

這位國家“863”項目車用電池專家認為，鋅空氣電池僅僅是電池技術中的一種，隻作為示範運行可以，但不宜大規模推廣。