金屬空氣電池，是利用鋅、鎂、鋁等常見金屬與氧氣、海水制成的新型電池。它利用空氣中的氧氣與儲(chǔ)能金屬反應(yīng)發(fā)電，能量密度可達(dá)鋰離子電池的3~4倍以上，并可以使用水溶液甚至海水作為電解液，蓄電量高、價(jià)格低廉、使用安全。當(dāng)前，多個(gè)國家都在積極推進(jìn)這項(xiàng)研究，未來，金屬空氣電池有望成為大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能設(shè)備。
新型電池蓄電量高、價(jià)格低廉、使用安全
距今100多萬年前，人類學(xué)會(huì)了利用自然界中的火，從此開啟了能源時(shí)代。在經(jīng)歷過漫長的柴薪時(shí)代后，隨著工業(yè)革命興起，蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，推動(dòng)了生產(chǎn)力的高速發(fā)展，同時(shí)也帶來了巨大的能源缺口。所幸，當(dāng)木材已無法滿足人類需求時(shí)，煤和石油等高熱值的化石燃料登上了歷史舞臺(tái)，并迎來了大爆發(fā)。然而在短短200多年間，人類燃燒了數(shù)千億噸煤炭、石油和天然氣，按照目前的儲(chǔ)采比，全球已探明的化石燃料僅夠人類再使用百年左右，化石燃料大量燃燒所導(dǎo)致的氣候危機(jī)更是迫在眉睫，留給人類完成能源轉(zhuǎn)型的時(shí)間屈指可數(shù)。
在2021年聯(lián)合國舉行的能源高級(jí)別對話會(huì)議中，聯(lián)合主席阿奇姆·施泰納強(qiáng)調(diào)：2021年必須成為可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的“歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，為了實(shí)現(xiàn)2050年全球凈零排放和《巴黎協(xié)定》的主要目標(biāo)(將21世紀(jì)全球氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi))，世界各國必須大力發(fā)展可再生能源。電是太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源的重要形式，而電池作為儲(chǔ)存電能的主要裝置，已成為新能源時(shí)代最重要的器件之一。
然而，目前大規(guī)模使用的各種電池，都存在各自的短板，例如鉛酸電池重量體積大、能量密度低、使用壽命短且含有對人體和環(huán)境都有害的重金屬鉛;鋰離子電池，雖然在電子設(shè)備和新能源汽車上應(yīng)用廣泛，但也存在安全隱患，易燃易爆且成本相對較高。
金屬空氣電池是一種新型電池，具有許多電池所不具備的優(yōu)勢。它利用空氣中的氧氣與儲(chǔ)能金屬反應(yīng)發(fā)電，能量密度可達(dá)鋰離子電池的3～4倍以上，而且使用水溶液作為電解液，不會(huì)燃燒或爆炸，更為安全。
由于性能卓越，未來金屬空氣電池有望成為大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能設(shè)備，多個(gè)國家都在積極推進(jìn)這項(xiàng)研究。2014年7月，以色列一家公司曾采用鋁—空氣電池作為電動(dòng)車動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)了驚人的1600公里續(xù)航，震驚業(yè)內(nèi)。而在2015年4月，美國紐約EOS儲(chǔ)能公司發(fā)布了一款鋅—空氣電池，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)2700次充放電循環(huán)而性能沒有衰減，該公司聲稱，這種電池最終能夠?qū)崿F(xiàn)上萬次循環(huán)，并在電網(wǎng)儲(chǔ)能中維持30年以上的壽命。此外，早在20世紀(jì)90年代，挪威和意大利就以海水為電解液開發(fā)了用于深海油氣井探測控制系統(tǒng)的鎂—空氣電池，能量密度超出傳統(tǒng)鉛酸電池的10倍以上，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。
利用金屬、氧氣、海水可制成電池
金屬空氣電池是以較活潑的金屬，諸如鋅、鎂、鋁等，作為負(fù)極活性物質(zhì)，配合具有催化活性的空氣電極作為正極，加上合適的電解質(zhì)而構(gòu)成的新型電池。
根據(jù)負(fù)極使用的金屬，金屬空氣電池主要可分為鋅空氣電池、鎂空氣電池和鋁空氣電池。金屬空氣電池的工作原理為，負(fù)極活潑金屬提供的電子通過外電路傳輸?shù)秸龢O與空氣中的氧氣結(jié)合，從而形成導(dǎo)電通路。這種電池的正極，即空氣電極，通常由三部分組成，分別是氣體擴(kuò)散層，用于吸收空氣中的氧氣和防止電解質(zhì)泄露;催化劑層，用于加速氧氣參與反應(yīng)的速率;集流體層，用于提高空氣電極的導(dǎo)電性。電池中的電解質(zhì)，可采用堿性或近中性的水系電解質(zhì)，甚至可以直接采用海水作為電解質(zhì)。
金屬空氣電池具有蓄電量高、價(jià)格低廉、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。首先，金屬空氣電池的蓄電量特別高，由于它消耗的是空氣中的氧氣，取之不盡用之不竭，理論上正極容量是無限的，再加上氧氣不需要存儲(chǔ)在電池內(nèi)，使得金屬空氣電池的理論蓄電量比常用的鋰電池大得多，理論電量是鋰離子電池的6～10倍，實(shí)際蓄電量可達(dá)鋰離子電池的3倍。如果用作汽車動(dòng)力電池，有望實(shí)現(xiàn)1000公里以上的超長續(xù)航。
其次，金屬空氣電池成本低廉，電池組成材料常見易得，主要使用的耗材，如負(fù)極用的金屬鋅、鎂和鋁等，都是地殼豐度元素，來源豐富、價(jià)格低廉。最后，金屬空氣電池更為安全，由于使用水系電解質(zhì)，沒有易燃易爆成分，不存在燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)負(fù)極充電特性不同，金屬空氣電池分為二次電池(鋅空氣電池)和一次電池(鎂空氣電池、鋁空氣電池)，都結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，無需專人維護(hù)，其制造、使用、回收等流程均無有害物質(zhì)釋出，也被稱為“面向21世紀(jì)的綠色能源”。
金屬空氣電池在諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，金屬空氣電池具有使用方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可為助聽器等小型用電設(shè)備供電，目前小型鋅空氣電池已被設(shè)計(jì)為紐扣電池，廣泛用于助聽器的電池。金屬空氣電池中的鋁空氣電池具有高蓄電量和長續(xù)航的特點(diǎn)，可以作為電動(dòng)車、無人機(jī)和便攜設(shè)備等的理想供能選擇，而且鋁空氣電池只需要更換負(fù)極金屬板，不需要充電，提高了充電效率和便捷性。將金屬空氣電池與鋰離子電池聯(lián)用，可使其兼具高蓄電量和長續(xù)航的優(yōu)點(diǎn)，續(xù)航時(shí)間可達(dá)到鋰電設(shè)備的2～3倍。鎂空氣電池和鋁空氣電池可作為應(yīng)急電源，用于自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)的電力供應(yīng)或戶外活動(dòng)中的電源，它們結(jié)構(gòu)簡單、便于操作，關(guān)鍵時(shí)刻僅需加水即可提供可靠的電源供應(yīng)，2公斤左右的金屬空氣電池即可滿足三口之家的應(yīng)急用電，并且不會(huì)產(chǎn)生噪聲和有害物質(zhì)，是綠色安全的電力來源。對于地形復(fù)雜的地區(qū)或者邊遠(yuǎn)島礁，采用金屬空氣電池供電，技術(shù)難度低，安全性高。
國內(nèi)外多年攻關(guān)技術(shù)瓶頸
金屬空氣電池雖優(yōu)點(diǎn)眾多，是具有廣闊應(yīng)用前景的新型電源，但是并沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，其實(shí)際使用過程中仍面臨多種關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。例如鋅空氣電池功率小、壽命短;鎂空氣電池續(xù)航短;鋁空氣電池放電過程析氫副反應(yīng)嚴(yán)重，導(dǎo)致電解液短時(shí)間內(nèi)沸騰，通常使用時(shí)長不超過15分鐘，會(huì)出現(xiàn)“燒開水現(xiàn)象”;空氣電極側(cè)存在氧氣獲取速度慢、使用壽命短等缺點(diǎn)，這些都在一定程度上限制了金屬空氣電池的應(yīng)用和推廣。
針對金屬空氣電池存在的諸多技術(shù)瓶頸，國內(nèi)外多年來都在攻關(guān)。2015年，加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉博士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了鋅空氣電池能量密度的突破，電池蓄電量提升了40%;2023年，西澳伊迪斯科文大學(xué)(ECU)有研究團(tuán)隊(duì)表示，其研究的新型鋅空氣電池使用壽命超過950小時(shí)，且蓄電量沒有任何損失;重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的鎂空氣電池能量密度達(dá)到了鉛酸電池的20倍以上，電解液可直接采用海水，在深海著陸器、深海原位實(shí)驗(yàn)站等海洋裝備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景;天津大學(xué)胡文彬、吳忠團(tuán)隊(duì)近年來解決了鋁空氣電池放電副反應(yīng)嚴(yán)重的突出問題，實(shí)現(xiàn)了這類電池大功率、穩(wěn)定長效放電，能量密度突破900Wh/kg，已經(jīng)在分布式污水處理設(shè)備和水面潛行器的供能系統(tǒng)開展了示范應(yīng)用，如果用于汽車動(dòng)力電池，可實(shí)現(xiàn)2500公里以上的超長續(xù)航。
當(dāng)前金屬空氣電池仍處于商業(yè)化早期階段，大多數(shù)技術(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但部分技術(shù)，如一次鋅空、鋁空電池已初步具備工程化應(yīng)用的潛力。有國際市場咨詢公司預(yù)計(jì)，到2028年，金屬空氣電池市場價(jià)值或?qū)⑦_(dá)到11.73億美元?？磥?，在不久的將來，通過國內(nèi)外對金屬空氣電池相關(guān)技術(shù)的整合以及電池器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，金屬空氣電池將會(huì)真正給人類生產(chǎn)和生活帶來極大便利。
未來可在能源儲(chǔ)備中大展拳腳
事實(shí)上，在鋰礦產(chǎn)資源緊缺的當(dāng)下，拋開各項(xiàng)性能優(yōu)點(diǎn)不論，金屬空氣電池的最大優(yōu)勢在于其電極材料選擇更多樣，且資源儲(chǔ)量豐富。經(jīng)粗略計(jì)算，即使將全球儲(chǔ)存的1700萬噸鋰資源全部開采加工成鋰離子電池，其能存儲(chǔ)的總電量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠全球一天的用電量。而空氣電池不僅僅可以鋰、鋅等元素作為電池的負(fù)極材料，地殼中含量極高的鐵、鋁、鎂等亦是負(fù)極材料的主流選擇?？梢灶A(yù)見，在大規(guī)模儲(chǔ)能蓬勃發(fā)展的未來，空氣電池作為儲(chǔ)能技術(shù)備選方案之一，必將迎來大展拳腳之時(shí)。
金屬空氣電池綠色安全，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，能進(jìn)一步提高對可再生能源的利用率。截至2023年4月底，我國風(fēng)力光伏發(fā)電總裝機(jī)量已突破8000億瓦，占全國發(fā)電裝機(jī)的30.9%。但風(fēng)光發(fā)電也給電網(wǎng)調(diào)度帶來了不小負(fù)擔(dān)——風(fēng)、光資源有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，在無風(fēng)、夜晚等情景時(shí)，仍需要火電來維持電網(wǎng)的功率，而在風(fēng)、光資源極佳之時(shí)卻需要限功率運(yùn)行以減小電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，由此產(chǎn)生了大量的“棄風(fēng)”和“棄光”，因此有人戲謔地將風(fēng)電和光電稱為“垃圾電”。以往的研究都致力于利用鋰電和氫能存儲(chǔ)這部分電能，而金屬空氣電池將為“變廢為寶”提供更加綠色安全且廉價(jià)的途徑。利用“棄風(fēng)、棄光”發(fā)出的電，結(jié)合成熟的電解冶金技術(shù)，將金屬空氣電池放電過程中溶解到電解液里的鋅、鋁、鎂等儲(chǔ)能金屬提煉后，再經(jīng)過簡單加工便可重新制成新的電池電極。這一完整的使用—回收—再生循環(huán)鏈將輔助存儲(chǔ)風(fēng)力、光伏發(fā)電。
能源作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的生命線，是社會(huì)發(fā)展的根本保障。近年來，全球形勢復(fù)雜多變，影響了能源的正常供給甚至導(dǎo)致能源緊缺的重大危機(jī)。這推動(dòng)著我們對傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)在新興的能源選擇主要是鋰電和氫能，然而從長遠(yuǎn)來看，金屬空氣電池同樣具備潛力，成為能源儲(chǔ)備的重要一環(huán)，幫助我們進(jìn)一步完善能源結(jié)構(gòu)，減少對化石燃料的依賴，穩(wěn)定能源供給、保障能源安全。
來源：光明日報(bào) 作者：吳忠、胡文彬，分別系天津大學(xué)教授，天津大學(xué)教授、天津大學(xué)科研院院長
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