鉅大LARGE | 點擊量：7593次 | 2018年09月13日
鋅空氣電池發(fā)展前景有哪些
鋅空氣電池具有大電流持續(xù)放電的能力，目前國內(nèi)外對鋅空氣電池的研究開始轉(zhuǎn)向大功率的動力電池。介紹了鋅空氣電池的研究現(xiàn)狀；論述了鋅空氣電池的充電模式；分析了鋅空氣電池在使用過程中存在的一些問題，并展望了其將來的發(fā)展前景。
所謂鋅空氣電池（zincairbattery），又稱鋅氧電池，主要是利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧，來作為正極活性物質(zhì)；而以鋅作為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液作為為電解質(zhì)的一種原電池。
九十年代，為滿足電動車輛動力電池的要求，以色列Electric-FuelLimited重新開始研發(fā)專供電動車輛用的機械更換陽極板式的二次鋅空氣電池。此后，這類動力型的鋅空氣電池被美國燃料電池協(xié)會定名為“鋅空氣燃料電池”。隨后十余年，德國KummrowN.A.、圣地亞哥MetallicPower、紐約Evionyx、挪威ReVolt、美國Fluidic相繼開始研發(fā)鋅空氣燃料電池。
近年來，可充電的鋅空電池在國外再次得到了重視。國外領(lǐng)先的鋅空電池開發(fā)公司借鑒在近年來在鉛酸、鋰電池、燃料電池等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，并應(yīng)用于鋅空電池，使得鋅空電池的性能得到了突破性的提升。如美國EOS公司、美國ImprintEnergy公司、挪威REVOLT、美國Fluidic公司等。
國內(nèi)的北京長力開始研發(fā)鋅空氣燃料電池，香港中航集團投資繼續(xù)開發(fā)，已用于電動大巴并在北京奧運會期間使用；2011年天津九能京通新能源科技公司投資3.3億元建設(shè)鋅空氣燃料電池項目，為國家863計劃科技成果。上海博信等始于1996年開始鋅空氣燃料電池及其全套鋅能源的研發(fā)。武漢泓元的一次鋅空電池汽車也已經(jīng)于2011年用于湖北漢川的公共汽車。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋅空電池的目標(biāo)市場除可穿戴設(shè)備市場和無人機之外，包括通訊基站、電動自行車、低速電動汽車、電動汽車、儲能等，每個市場的容量都非常巨大。
鋅空氣電池技術(shù)優(yōu)點突出
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。與傳統(tǒng)電池，特別是與鉛酸蓄電池相比，鋅空氣電池存在諸多優(yōu)點。
首先，綠色環(huán)保是亮點，被譽為21世紀(jì)環(huán)保型新能源。由于鋅空氣電池不采用鉛、汞、鎘等重有毒的重金屬，因此其對環(huán)境的污染較小，同時不存在爆炸危險，安全可靠。其次，成本低，蓄能大。原材料主要是空氣中的氧及價格低廉的鋅，故而材料易得。且它的容量比其它電池高3-10倍。如單體300安時圓柱體型鋅空氣電池，其重量僅為0.75kg，而同樣的鉛蓄電池的重量則大于8kg。與當(dāng)前主流鋰汽車電池相比，資料顯示，180公斤重量鋅空氣電池能夠產(chǎn)生44千瓦時電量，續(xù)航能力350公里，而同樣電量的鋰電池重量要達360公斤。最后，充電方面優(yōu)勢突出。多數(shù)蓄能電池存在頻繁充電的缺點，特別是鉛酸蓄電池不能長期深度放電，充電時間長給客戶帶來諸多不便。而部分型號的鋅空氣電池并不是蓄電池，而是利用鋅和空氣直接發(fā)電。簡單地說，在電池用完后，用戶只需更換封裝好的鋅粉，就可以重復(fù)使用，更換的時間在3分鐘內(nèi)即可完成。
鋅空氣一次電池研究現(xiàn)狀
鋅空氣電池發(fā)展到現(xiàn)在，其相關(guān)技術(shù)已不斷完善，各方面性能也有顯著提高，主要產(chǎn)品形式分為鋅空氣一次電池和鋅空氣二次電池，可以滿足多種用途的需求。
與其他一次電池相比，鋅空氣電池具有容量大、能量密度高、價格低廉、放電曲線平穩(wěn)等優(yōu)點。目前一次性電池產(chǎn)品除了常見的鈕扣式電池外也日益多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域相應(yīng)擴大。
（1）鈕扣式一次電池
早期的商品鋅空氣電池僅限于鈕扣式一次電池，安全性好且價格便宜。用于便攜式電子產(chǎn)品中，主要是助聽器。目前，這種電池的用途正在擴大，因為高能量密度逐漸可以滿足各種用途的普遍要求，如電子手表、計算器、電子詞典等便攜式電子信息產(chǎn)品。
（2）其它結(jié)構(gòu)的一次電池
隨著圓柱型電池防漏問題的逐步解決，使實用圓柱系列鋅空氣電池的生產(chǎn)與推廣工作得以實現(xiàn)。此外，應(yīng)用在手機上的方形電池的研究在國內(nèi)一些研究單位也取得了不錯的成果。先將鋅空氣電池推向移動電話應(yīng)用領(lǐng)域的是以色列ElectricFuel公司，針對于Motorola手機使用，試驗階段可以實現(xiàn)連續(xù)通話6.2H，期望最終達到連續(xù)通話10H以上。這種電池與鋰離子電池、MH-Ni電池相比在價格、重量、通話時間等性能方面都顯示出顯著的優(yōu)越性。武漢大學(xué)也研制出方形結(jié)構(gòu)的用于移動電話的鋅空氣電池，電池組比能量高達220Wh/kg最大輸出功率可達3.6W，并且其綜合性能完全滿足移動電話的使用要求。
另外，鋅空氣儲備電池也受到關(guān)注，這種電池相對體積小，儲能大，廣泛應(yīng)用于特種裝置、航海照明、野外勘探等方面。
鋅空氣二次電池研究現(xiàn)狀
近年來電動車發(fā)展迅速，給鋅空氣電池提供了廣闊的發(fā)展空間。鋅空氣電池具有能量高、零污染、不燃爆、可循環(huán)利用等特點，非常適宜用作城市電動車的動力電源，具有很大的開發(fā)潛能，使得人們對它的研究逐步轉(zhuǎn)移到大功率動力電池上？鋅空氣二次電池也成了各研究機構(gòu)的開發(fā)重點。鋅空氣二次電池主要有直接再充式鋅空氣電池、機械更換式鋅空氣電池、鋅空氣燃料電池等。
（1）接可再充式鋅空氣電池
直接再充式鋅空氣電池是直接對鋅空氣電池的鋅電極充電，在此過程中存在很多的問題。如鋅在堿性溶液中的電化學(xué)活性很大，同時熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，充電產(chǎn)物鋅酸鹽在強堿溶液中溶解度較高，因此電極容易出現(xiàn)變形、枝晶生長、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極逐漸失效。另外，空氣電極可逆性差，且在大氣環(huán)境中電解液容易碳酸化，而且，電解液受空氣濕度的影響較大。當(dāng)相對濕度較低時，電池將損失水分，導(dǎo)致電解液不足，使電池失效；當(dāng)空氣相對濕度較高時，電解液變稀，導(dǎo)電率降低，還有可能淹沒氣體電極的催化層，降低電極活性，導(dǎo)致電池失效。因此，可再充式鋅空氣二次電池的應(yīng)用受到了一定的限制
（5）機械充電式鋅空氣電池
鑒于直接可再充式鋅空氣電池存在的問題難以得到解決，科研人員在研究過程中根據(jù)鋅空氣電池的放電特征及自身的特點，建立了新的二次鋅空氣電池充電理念———機械式“充電”。所謂機械式“充電”是指在電池完全放電后，將電池中用過的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個電池完全更換掉，整個過程所用的時間為3-5min.鋅電極氣電池可在超市、電池經(jīng)營點、汽配商店等購買，對普及以鋅空氣電池作為動力的電動車十分有利。使用過的鋅電極或鋅空氣電池拿到專門的鋅回收利用廠進行回收再加工，實現(xiàn)綠色環(huán)保無污染。
近年來？以色列科學(xué)家對電動車用機械再充式鋅空氣電池作了深入的探討。據(jù)J.R.Goidsrein等報道，他們研制的這類電池組比能量達到180-200W/Kg，在80%放電深度時，峰值比功率可達到100W/KG。他們采用的電池模塊由22片單體電池組成，電容量達250ah總能量為6.25KWH。整個電池組由24個模塊組成，整體總能量為150kwh，質(zhì)量約800kg。僅更換一次鋅電極，車輛行駛里程即可超過300km，這一鋅空氣電池組已成功地用于德國郵政車輛上。更換鋅電極和鋅電極的再生工作由專門的充電站來完成。
中國科技大學(xué)研究小組在這方面也做了一些工作，他們研制的用于電動自行車的動力電池有4個模塊，每個模塊10片單電池，整個電池組質(zhì)量約8kg，比能量達到200wh/kg，放電深度70%以上。該小組已基本完成單臺自行車行車、電池再生的循環(huán)實驗。更換下來的氧化鋅混合物在電解槽內(nèi)進行回收處理，電解鋅可經(jīng)過簡單處理再重新制成鋅電極。
（3）鋅空氣燃料電池
鋅空氣燃料電池的概念是依據(jù)現(xiàn)有的燃料電池提出的，基本原理與機械式“充電”相似，都是更換鋅極活性物質(zhì)。鋅空氣燃料電池是將配制好的鋅膏源源不斷地送入電池內(nèi)，同時將反應(yīng)完畢的混合物排出電池外，同時還要保證電池運行時有足夠的氧氣供應(yīng)。這樣電動車只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，盛放足夠的燃料便可實現(xiàn)連續(xù)行駛。然后按時更換燃料罐，取走反應(yīng)生成物即可。
鋅空氣燃料電池在基本原理上已不存在問題，特別是在鋅膏配制攪拌方面，關(guān)鍵在于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這種設(shè)想所存在的問題主要是鋅膏如何輸送到電池中去，反應(yīng)完畢的生成物如何從電池中排出而又不損壞電池其他部分。由于鋅膏的黏度大，不能像氣體和液體那樣采用泵來輸送，只能采用擠壓或其他方式。鋅膏經(jīng)放電反應(yīng)后生成物的成分復(fù)雜，很難將其排出電池體外。正因為這些問題很難得到解決，鋅空氣燃料電池至今一直停留在實驗階段。
存在的主要問題
氣體擴散電極
鋅空氣電池的氣體擴散電極是整個電池的能量轉(zhuǎn)換器，氣體擴散電極的質(zhì)量與性能的優(yōu)劣已成為二次電池發(fā)展的瓶頸，目前氣體擴散電極存在的主要問題是使用壽命及催化活性
（1）使用壽命
鋅空氣電池正極是以空氣中的氧氣為活性物質(zhì)，它是通過載體活性碳做成的電極進行反應(yīng)的。在放電過程中#碳電極在理論上是不損耗的，可以連續(xù)使用。但是由于氣體擴散電極是多孔體，本身機械性能不強，長期浸泡在濃堿溶液中，吸附二氧化碳和空氣中的粉塵等，改變了多孔體反應(yīng)活性區(qū)的環(huán)境，嚴(yán)重影響了氣體擴散電極的使用壽命。這些問題目前基本還沒有找到可行性的解決方案。對于碳酸化的問題可以采用純氧系統(tǒng)代替空氣來得到改善，但是這樣無疑大大增加了鋅空氣電池的成本。活性炭吸附性強，可以利用這一點對其進行預(yù)處理，先使其微孔里填滿活性催化劑，一方面碳電極在反應(yīng)過程中就無法再吸附其他物質(zhì)，不容易在使用過程中被其他物質(zhì)染，另一方面可以增加催化劑的利用率，提高反應(yīng)性能。據(jù)S.Gamburzev.等人報道，使活性炭微孔里吸附上銀，由此制作的氣體擴散電極的使用壽命會相應(yīng)延長
（2）催化活性
催化劑的性能及添加量影響著電極性能的發(fā)揮，同時在很大程度上也限制著鋅空氣電池的大規(guī)模商業(yè)化。采用鉑等催化物價格太貴，換成了碳黑、石墨和二氧化錳的混合物，雖然成本降低了但活性也隨之降低。
鋅電極
鋅電極作為鋅空氣電池的負(fù)極反應(yīng)物，與正極反應(yīng)物氧氣反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。而氧來自空氣，所以鋅空氣電池在工作時應(yīng)是一個開放的體系。但是，如果將鋅空氣電池暴露在空氣中，即使在非工作狀態(tài)，活潑金屬鋅也會與空氣中的氧反應(yīng)。所以鋅空氣電池的商業(yè)化設(shè)計要求是，一方面在工作狀態(tài)下有足夠的氧氣供應(yīng)；另一方面在非工作狀態(tài)下能夠密封，隔絕空氣。另外，鋅電極鈍化及自腐蝕問題也是制約鋅空氣電池性能的重要方面，解決這個問題的主要方法就是添加一些抑制劑，抑制其自放電
展望與總結(jié)
目前我國電動自行車大多采用鉛蓄電池作為動力，其最大的弊端是不利于環(huán)境保護和可持續(xù)性發(fā)展。這種電池容量僅為10AH左右，充電時間長，充一次電的最大續(xù)行里程為50km。而且在充放電過程中，極板容易變形，電池性能急劇下降，所以一般兩年內(nèi)需要更換電池。由于以上的種種不足，電動車用鉛蓄電池勢必為更加優(yōu)越的新型電池所替代。
首先是氫氧燃料電池引起人們的關(guān)注，近年來許多研究機構(gòu)也投入了大量資金加大研發(fā)力度。這種電池雖然具有很多自身優(yōu)勢，但在氫能源的生產(chǎn)、運輸、儲存等方面還存在尚未解決的難題，很難實現(xiàn)商業(yè)化。其它的如mh-ni電池、鋰離子電池因成本太高，不易為廣大消費者所接受。
鋅空氣電池?zé)o論在性能方面，還是在成本方面，其綜合性價比有著顯著的優(yōu)勢。綜合各種因素，我們認(rèn)為，鋅空氣電池盡管還有待于進一步完善，但也很有可能成為電動自行車電源的最佳選擇之一，有著深遠的發(fā)展前景。
鋅空氣電池從整體來講是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)過各國科學(xué)家數(shù)十年的努力，至今已經(jīng)取得了顯著的進展，但要使鋅空氣電池真正走上商業(yè)化的道路，還需要很多人的更多努力。
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