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極，具有安全、環(huán)保、能量密度高等諸多優(yōu)點。具有良好的發(fā)展和應用前景，甚至被寄予厚望替代當前新能源汽車主要的動力電池類型—鋰離子動力電池。

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，有的還停留在實驗室階段，有的已經(jīng)在電動汽車方面取得良好的應用成果，并即將大規(guī)模裝載新能源車輛。

本文將分別介紹上述幾種金屬空氣電池的研發(fā)及應用進展。

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，在電池放電時產(chǎn)生化學反應，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁。

2、特點

鋁空氣電池具有無毒、無害、無污染，可回收循環(huán)使用等特點。

對于電動汽車來說，鋁空氣電池具有質(zhì)量輕、比能量大的顯著特點。資料顯示，鋁空氣電池的理論比能量可達8100Wh/kg，目前的實際比能量約實現(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。

這種電池對于減輕汽車重量，增加續(xù)航里程具有明顯的幫助。

3、研發(fā)及應用進展

國外：

據(jù)相關(guān)資料，美國加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動汽車上，有過只更換一次鋁電極續(xù)駛里程達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存了可行駛3000公里的足夠電量。

國內(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)項目。目前，創(chuàng)能鋁空氣電池研發(fā)項目正在推進中。

中國動力與PHINERGY成立合資公司，計劃在大巴、旅游車、物流汽車及運動型多用途汽車等電動車型推廣鋁空氣電池。并計劃在大陸、香港、澳門進行推廣。

二、鎂空氣電池

1、工作原理

2、特點

能量密度高、理論電壓高、清潔安全。鎂儲量豐富，具有成本優(yōu)勢。

鎂空氣電池的能量密度可達重量相等的鋰電池的10倍。

不足之處在于，鎂陽極的反應效率較低，空氣陰極的響應速度較慢，盡管這種電池能夠儲存很多能量，但是將能量轉(zhuǎn)換成實際的動力十分有限。

3、研發(fā)及應用進展

國外：

據(jù)了解，韓國研發(fā)的一輛搭載完整鎂空氣電池的電動汽車能成功行駛800公里，是當前鋰電池動力汽車平均續(xù)航里程的4倍

日本多家機構(gòu)包括古河電池、尼康、日產(chǎn)汽車、日本東北大學、宮城縣日向市等產(chǎn)學研機構(gòu)和政府部門正積極推進鎂空氣電池的大容量化研究。

日本AguaPower公司已經(jīng)成功開發(fā)制造和商業(yè)化鎂空氣電池，現(xiàn)已注冊專利16個。

國內(nèi)：

寧波材料所動力鋰電池工程實驗室成功研制出1000Wh鎂空氣電池樣機。

1000Wh鎂空氣電池樣機演示圖

該電池由5個單體電池串聯(lián)而成，以AZ31鎂合金為陽極，以10%的NaCl溶液為電解液，以上述空氣擴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430Wh/kg，最大輸出功率可達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，一次可為20部智能手機充電。這種鎂空氣電池作為應急電源應用。

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)，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。

陽極：Zn2OH–→ZnOH2O2e–

陰極：O22H2O4e–→4OH–

綜合：2ZnO2→2ZnO

2、特點

比能量高，可達到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%，初裝價格約為鋰電池的40%。

3、研發(fā)及應用進展

國外：

加拿大滑鐵盧大學陳忠偉博士及其團隊的研究取得了顯著的進展。

國內(nèi)：

“車用鋅空氣電池項目”被列入國家863重大科技專項一。

國內(nèi)某鋅空氣電池制造公司聯(lián)合某整車制造商計劃今年推出500輛12米裝載鋅空氣電池的純電動公交車，整車造價百萬，其中電池價格約為40萬。

根據(jù)計劃該公司2017年將生產(chǎn)出滿足3000輛電動汽車使用的鋅空氣動力電池。

四、鋰空氣電池

1、工作原理

鋰空氣電池用鋰作陽極，以空氣中的氧氣作為陰極。放電時，陽極的鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li)，Li穿過電解質(zhì)材料，在陰極與氧氣、以及從外電路流過來的電子結(jié)合生成氧化鋰(Li2O)或者過氧化鋰(Li2O2)，并留在陰極。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。

2、特點

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，仍處于實驗室階段，實現(xiàn)商業(yè)化尚需要10年左右的時間。

3、研發(fā)及應用進展

國外：

英國劍橋大學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90%。

2009年，日本研究機構(gòu)開發(fā)出了新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。

美國IBMAlmadenReseachCenter正在進行鋰空氣電池研究，日本旭化成株式會社和Central硝子株式會社兩家企業(yè)參加了該項目。研究小組計劃到2020年實現(xiàn)鋰空氣電池的大量生產(chǎn)和推廣應用。

國內(nèi)：

中科院成功研制出鋰空氣電池單體。