傳統(tǒng)鋰離子電池的瓶頸，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“圣安德魯斯空氣”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(tǒng)電池的10倍。

日本產業(yè)技術綜合研究所發(fā)布消息說，來自該所和日本學術振興會的研究人員研發(fā)出一種新型鋰空氣電池，這種無需充電、放電性能優(yōu)越的燃料電池將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(fā)范圍。有人認為，金屬空氣電池將成為21世紀理想動力源，大有代替鋰電池一舉稱霸電池市場的態(tài)勢。

破解鋰電池成本、容量難題

隨著純電動汽車、燃料電池汽車被作為國家相關政策的鼓勵方向，制約它產業(yè)化的電池問題越發(fā)突出。“目前大家看好的鋰離子電池成本太高，容量不大。電動汽車如要突破，必須研發(fā)更理想的電池。”近日，國內某汽車企業(yè)新能源汽車研發(fā)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，構造原理與干電池相同，所不同的只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(yōu)越。

國家“863”項目一位車用電池專家介紹，目前世界上有若干種金屬空氣電池，包括鋅空氣電池、鋁空氣電池和鋰空氣電池等。他告訴記者，前兩種已經進入我國研發(fā)范圍，與產業(yè)化最接近的只有鋅空氣電池。

以鋅空氣電池為主要產品的中航長力聯(lián)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(yōu)勢表現(xiàn)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。因此電池內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(xù)駛里程長。鋅空氣金屬燃料電池中的鋅為循環(huán)使用，對環(huán)境零污染。生產電池的原材料豐富，成本低，是鋰電池的五分之一。

鋅空氣電池受青睞

去年9月底，上海市發(fā)改委主持召開了“鋅空氣電池應用于城市客車研討會”，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(fā)、制造新型鋅空氣動力燃料電池。

今年3月，中國航空工業(yè)集團公司宣布，與北京長力聯(lián)合能源技術有限公司聯(lián)合成立中航長力聯(lián)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，中航長力將斥資5億元，推動北京市鋅空氣電池產業(yè)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(tǒng)，配裝北京理工大學研制的BFC6110EV型純電動旅游客車，累計運行近1萬公里。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余項。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(chuàng)新產品目錄。

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(huán)衛(wèi)車進行運行測試，另安排50輛電動客車和電動環(huán)衛(wèi)車投入市公交和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)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，國內鋅空氣電池已形成“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，為何只有幾家公司投資?

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只有鋅空氣電池得到實用，曾被以色列用于純電動汽車，盡管近年先后被德、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(yōu)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。

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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，鋅空氣電池的致命缺陷是不可充電，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(xiàn)在已經實現(xiàn)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。不過與磷酸鐵鋰電池相比，次數(shù)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(xiàn)電池的可充電性。當鋅空氣電池放電結束后，需要將負極板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板實現(xiàn)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(xiàn)在這種電池的空氣電極壽命約為300次，2~3年。裝車后要根據路況和車速采用不同的電池組合，如果車速在30~40公里/小時，路況好，只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。

鋰空氣電池是理想之選

“在金屬空氣電池中，最有潛力的是鋰空氣電池。”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鋰離子電池的理想之選，鋰空氣電池的優(yōu)勢最為明顯。

談起鋰空氣電池，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。“鋰離子電池驅動的電動汽車，續(xù)駛里程不過100多公里，如果換成同等大小的鋰空氣電池，續(xù)駛里程能夠接近1000公里”。

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

2009年3月，日本產業(yè)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)外籍特別研究員王永剛，共同開發(fā)出大容量鋰空氣電池，他們通過將電解液分成兩種來解決上述問題。在負極(金屬鋰)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。中間的固體電解質只有鋰離子能通過。新型鋰空氣電池放電反應生成的固體物質不是氧化鋰，而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰。這樣不會引起正極的碳孔被堵塞，從而解決了以往鋰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，研究人員分別用堿性水溶性凝膠和堿性水溶液作正極的電解液，結果發(fā)現(xiàn)，這種新型鋰空氣電池的放電性能比以往該類型電池大幅提高，特別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(xù)放電20天。

據了解，這種新型鋰空氣電池無需充電，只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鋰就可以連續(xù)使用。正極生成的氫氧化鋰可以從使用過的水性電解液中回收，再提煉出金屬鋰，金屬鋰則可再次作為燃料循環(huán)使用。

在傅世樞看來，鋰空氣電池的優(yōu)勢十分明顯，理論比能量為11140Wh/kg，是當代鋰離子蓄電池的300倍。由于鋰空氣電池的負極不需要化學加工，鋰空氣電池也不需要化學工藝處理，制造成本僅為普通鋰離子蓄電池的60%。“一旦鋰空氣電池實現(xiàn)產業(yè)化，便可推動各類電動汽車全面產業(yè)化，取代目前的鋰離子蓄電池，成為新能源汽車動力源”。

據傅世樞分析，未來，不論鋰離子蓄電池，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，后者用于醫(yī)療器械、水下設施等，而要作為純電動汽車的動力電池組，可能非鋰空氣電池莫屬。“新一代鋰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產業(yè)化，大量生產。目前，還沒聽說我國有企業(yè)和機構研發(fā)這項技術。”傅世樞說。

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電池研發(fā)要著眼未來

如果鋰空氣電池實現(xiàn)大規(guī)模生產，鋰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、成本更低的鋰空氣電池。正如一些車用電池專家所言，中國電池技術的研發(fā)，要顧及眼下，更要著眼未來。

當前，產業(yè)化成為我國新能源汽車努力的方向。國家在財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(fā)上，主要是滿足現(xiàn)有的產業(yè)化需求。從國內電池研發(fā)情況看，研發(fā)力量集中在傳統(tǒng)電池上，試圖通過電池技術的更新?lián)Q代，提高比能量，以便增加續(xù)駛里程。

當前，令人擔憂的是，傳統(tǒng)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。盡管事實沒有那么糟糕，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(tǒng)電池技術研發(fā)的同時，更應放眼未來。比如日本研發(fā)的鋰空氣電池，雖然在短時間內很難實現(xiàn)大規(guī)模生產，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(fā)展的歷史，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(zhàn)略性產業(yè)，在關鍵零部件上，應當吸取教訓，努力避免此類事情發(fā)生。在電池技術研發(fā)上，應時刻跟蹤世界前沿技術，加緊技術儲備，迎接未來激烈的競爭。

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，只作為示范運行可以，但不宜大規(guī)模推廣。