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(gè)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(guó)揭開神秘面紗，這種電池的儲(chǔ)電能力是傳統(tǒng)電池的10倍。

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布消息說，來自該所和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的研究人員研發(fā)出一種新型鋰空氣電池，這種無(wú)需充電、放電性能優(yōu)越的燃料電池將來可為車輛提供動(dòng)力。

在我國(guó)，鋅空氣電池和鋁空氣電池已列入研發(fā)范圍。有人認(rèn)為，金屬空氣電池將成為21世紀(jì)理想動(dòng)力源，大有代替鋰電池一舉稱霸電池市場(chǎng)的態(tài)勢(shì)。

破解鋰電池成本、容量難題

隨著純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車被作為國(guó)家相關(guān)政策的鼓勵(lì)方向，制約它產(chǎn)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(dòng)汽車如要突破，必須研發(fā)更理想的電池。”近日，國(guó)內(nèi)某汽車企業(yè)新能源汽車研發(fā)部門相關(guān)人士對(duì)記者說。

金屬空氣電池(metal-airbattery)被寄予厚望。據(jù)了解，這類電池是特殊的燃料電池，是新一代綠色蓄電池，構(gòu)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(wú)毒、無(wú)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格十分便宜，并且性能優(yōu)越。

國(guó)家“863”項(xiàng)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(jīng)進(jìn)入我國(guó)研發(fā)范圍，與產(chǎn)業(yè)化最接近的只有鋅空氣電池。

以鋅空氣電池為主要產(chǎn)品的中航長(zhǎng)力聯(lián)合能源科技有限公司相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，鋅空氣金屬燃料電池的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在，鋅空氣金屬燃料電池的正極活性物質(zhì)是空氣中的氧氣，不占用電池體積。因此電池內(nèi)部可以攜帶更多的鋅，比能量更高，目前已達(dá)到每千克180瓦時(shí)，作為汽車動(dòng)力電池，續(xù)駛里程長(zhǎng)。鋅空氣金屬燃料電池中的鋅為循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境零污染。生產(chǎn)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(yīng)用于城市客車研討會(huì)”，希望上海申沃客車進(jìn)一步加強(qiáng)與博信電池有限公司的合作溝通，盡快使鋅空氣電池應(yīng)用于城市客車。據(jù)了解，博信公司的外方是美國(guó)博信(PowerZinc)電池公司，主要研發(fā)、制造新型鋅空氣動(dòng)力燃料電池。

今年3月，中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司宣布，與北京長(zhǎng)力聯(lián)合能源技術(shù)有限公司聯(lián)合成立中航長(zhǎng)力聯(lián)合能源科技有限公司(下稱“中航長(zhǎng)力”)，以及北京鋅空氣電池研究中心。未來3年，中航長(zhǎng)力將斥資5億元，推動(dòng)北京市鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)中航長(zhǎng)力的相關(guān)負(fù)責(zé)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(xué)研制的BFC6110EV型純電動(dòng)旅游客車，累計(jì)運(yùn)行近1萬(wàn)公里。2007年11月，車用注入式鋅空氣電池列入國(guó)家“863”計(jì)劃，截至目前已申請(qǐng)專利30余項(xiàng)。2009年公司的動(dòng)力型機(jī)械插塊式鋅空氣金屬燃料電池被列入北京市首批20個(gè)政府采購(gòu)自主創(chuàng)新產(chǎn)品目錄。

中航長(zhǎng)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(dòng)客車和環(huán)衛(wèi)車進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，另安排50輛電動(dòng)客車和電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車投入市公交和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，在北京市相關(guān)部門指定線路進(jìn)行路試，為市場(chǎng)化運(yùn)作提供可靠依據(jù)。

空氣電池能否擔(dān)當(dāng)大任

目前，國(guó)內(nèi)鋅空氣電池已形成“南有博信、北有長(zhǎng)力”的格局。不過，一種看似完美的新型動(dòng)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(shí)用，曾被以色列用于純電動(dòng)汽車，盡管近年先后被德、法、瑞典等國(guó)的汽車公司用于研制純電動(dòng)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(diǎn)，但是仍沒突破自身技術(shù)瓶頸。”國(guó)家“863”項(xiàng)目一位車用電池專家說。

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天津清源電動(dòng)車輛有限公司研究院院長(zhǎng)、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(jù)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(guó)，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)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(jù)中航長(zhǎng)力相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，他們使用機(jī)械插塊式技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電池的可充電性。當(dāng)鋅空氣電池放電結(jié)束后，需要將負(fù)極板取出集中到電解還原廠還原，同時(shí)為空電池殼裝入新的負(fù)極板實(shí)現(xiàn)電池充電，并負(fù)責(zé)為客戶配送充好電的電池。

這位負(fù)責(zé)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(jù)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(shí)，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(jí)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(bào)記者采訪時(shí)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(shì)最為明顯。

談起鋰空氣電池，傅世樞贊不絕口。據(jù)他介紹，目前，這項(xiàng)技術(shù)已被日本研究機(jī)構(gòu)掌握，日本汽車公司對(duì)這種電池技術(shù)的興趣濃厚。“鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)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(yīng)生成物氧化鋰(Li2O)會(huì)在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。

2009年3月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所能源技術(shù)研究部門能源界面技術(shù)研究小組組長(zhǎng)周豪慎和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(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(fù)極(金屬鋰)一側(cè)使用有機(jī)電解液，在正極(空氣)一側(cè)使用水性電解液，兩者之間用固體電解質(zhì)隔離，防止兩種電解液混合。中間的固體電解質(zhì)只有鋰離子能通過。新型鋰空氣電池放電反應(yīng)生成的固體物質(zhì)不是氧化鋰，而是易溶于水性電解液的氫氧化鋰。這樣不會(huì)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(yīng)生成物阻礙電解液與空氣接觸的問題。

此外，在實(shí)驗(yàn)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(jié)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(jù)了解，這種新型鋰空氣電池?zé)o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(fù)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(shì)十分明顯，理論比能量為11140Wh/kg，是當(dāng)代鋰離子蓄電池的300倍。由于鋰空氣電池的負(fù)極不需要化學(xué)加工，鋰空氣電池也不需要化學(xué)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，便可推動(dòng)各類電動(dòng)汽車全面產(chǎn)業(yè)化，取代目前的鋰離子蓄電池，成為新能源汽車動(dòng)力源”。

據(jù)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(huì)有自己的市場(chǎng)。前者已大量用于手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)摩托車，后者用于醫(yī)療器械、水下設(shè)施等，而要作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)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(shù)難題，剩下的問題是如何加速產(chǎn)業(yè)化，大量生產(chǎn)。目前，還沒聽說我國(guó)有企業(yè)和機(jī)構(gòu)研發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。”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(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域還有沒有生存空間?答案很清楚，誰(shuí)都會(huì)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(guó)電池技術(shù)的研發(fā)，要顧及眼下，更要著眼未來。

當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)化成為我國(guó)新能源汽車努力的方向。國(guó)家在財(cái)政上對(duì)購(gòu)買新能源汽車的私人用戶進(jìn)行補(bǔ)貼，用心良苦。在電池研發(fā)上，主要是滿足現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)化需求。從國(guó)內(nèi)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(shù)的更新?lián)Q代，提高比能量，以便增加續(xù)駛里程。

當(dāng)前，令人擔(dān)憂的是，傳統(tǒng)電池技術(shù)已經(jīng)遭遇瓶頸，一些悲觀的人甚至斷言我國(guó)新能源汽車走入死胡同。盡管事實(shí)沒有那么糟糕，但是對(duì)于未來的技術(shù)儲(chǔ)備，我們還做得不夠。筆者認(rèn)為，在堅(jiān)持傳統(tǒng)電池技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，更應(yīng)放眼未來。比如日本研發(fā)的鋰空氣電池，雖然在短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但從本身的性能看，在未來毫無(wú)疑問能夠大展身手。

技術(shù)的更替日新月異，同時(shí)冷漠無(wú)情?；厥卓茖W(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史，一項(xiàng)新技術(shù)被更新技術(shù)淘汰的例子比比皆是。新能源汽車作為我國(guó)的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，在關(guān)鍵零部件上，應(yīng)當(dāng)吸取教訓(xùn)，努力避免此類事情發(fā)生。在電池技術(shù)研發(fā)上，應(yīng)時(shí)刻跟蹤世界前沿技術(shù)，加緊技術(shù)儲(chǔ)備，迎接未來激烈的競(jìng)爭(zhēng)。

這位國(guó)家“863”項(xiàng)目車用電池專家認(rèn)為，鋅空氣電池僅僅是電池技術(shù)中的一種，只作為示范運(yùn)行可以，但不宜大規(guī)模推廣。