特斯拉金属空气电池能否终结“续航焦虑”

　　特斯拉继成功申请混动系统专利之后，近日又拿下金属空气电池的充电技术专利。业内人士认为，如果该技术可实用，将进一步提高电动汽车的续驶里程。

　　人们对金属空气电池或许有些陌生，它们并不像锂离子电池那样在新能源汽车领域扮演着当红角色，但金属空气电池确实有着巨大潜力，一旦商业化，足以惊艳四座。早在2014年，美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy在蒙特利尔向大众展示了具有超级续航能力的铝空气电池技术，这种金属电池续航高达3000公里——3000公里是什么概念?从北京到海南，一路向南，不用充电!既然金属空气电池这么神奇，电动汽车的续航问题能否就此解决呢?电池中国网对金属空气电池做一个全景扫描，希望这些信息对大家有所帮助。

　　金属空气电池有多种，目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池和镁空气电池等。

　　1. 铝空气电池

　　工作原理：铝空气电池以高纯度铝Al(含铝99.99%)为阳极、氧为阴极，以氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。

　　优点：铝空气电池具有无毒、无害、无污染、可回收循环使用等特点，对于电动汽车来说，铝空气电池还具有电池质量轻、比能量大、不依赖电网充电等优势，可明显降低汽车重量，增加汽车的续驶里程。据行业资料显示，铝空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg，目前的实际比能量约实现了350Wh/kg。

　　缺点：比功率较低，放电速度比较缓慢;电压滞后;自放电率较大;需采用热管理系统，防止铝空气电池工作时出现过热现象;放电过程中阳极腐蚀会产生氢，导致阳极材料过度消耗，还会增加电池内部的电学损耗。

　　研发及应用进展

　　国外：美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，曾有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录;2014年，美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy展示的铝空气电池续驶里程高达3000公里，一度引起轰动。

　　国内：2015年8月，云铝股份联合昆明冶金研究院设立创能公司，并落地了10MW的铝空气电池生产线;2015年，中国动力与PHINERGY成立合资公司，计划在大巴、旅游车、物流汽车及运动型多用途汽车等电动车型推广铝空气电池;空天科技公司已拥有铝空气电池从正阳极材料工艺到电池热管理及铝空气电池管理系统等完整的核心技术，并研制出了100W~5000W等不同功率等级的铝空气电池模块;目前，德阳东深新能源公司研发制造的铝空气金属燃料发电电池已正式量产，这也是铝空气电池在全国范围内首次实现产业化和商业化。

　　2. 锌空气电池

　　工作原理：锌空气电池又称锌氧电池，用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为阴极活性物质，以锌为阳极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。

　　优点：比能量高，可达到340Wh/kg;重量是锂电池的50%;续驶里程是锂电池的200%;安全，放电性能稳定，成本低廉。

　　缺点：电池容易发生爬碱漏液、电解液易因蒸发而干涸，外界CO2的进入易使电解液碳酸盐化，锌电极容易发生腐蚀导致自放电。这些都会严重影响到锌空气电池的性能和质量。

　　研发及应用进展

　　国外：2015年8月，加拿大滑铁卢大学“锌空气电池第一人”陈忠伟博士研究团队利用硅电极制备的锌空气电池能量密度，其密度在原基础上提高了40%。

　　国内：2011年国内首个锌空气电动公交车正式下线，该类型纯电动城市公交车续驶里程达300公里，最高时速可达每小时80公里，其运营成本比传统锂电池电动汽车低1/3;2014年11月，《电动汽车用锌空气电池行业标准》正式实施，该标准涵盖了电动汽车用锌空气电池的要求、试验方法等多方面内容;2015年，天津九能京通公司的锌空气燃料电池项目被列为天津市重大工业项目并通过国家863动力电池测试中心产品检测鉴定，形成了年产5万组新能源汽车用锌空气燃料电池组的生产能力，目前已投入商业化运行。

　　3. 锂空气电池

　　工作原理：锂空气电池用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极。放电时，阳极的锂释放电子后成为锂阳离子(Li )，Li 穿过电解质材料，在阴极与氧气以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2)，并留在阴极。

　　优点：理论上具有大容量，可提供与汽油相当的能量，电池比较轻小。

　　缺点：成本高昂，作为动力电池，续驶里程不高。

　　研发及应用进展

　　国外：2009年，日本研究机构开发出新构造的大容量锂空气电池;2015年，英国剑桥大学研制的锂空气电池可循环充电2000次以上，该电池在理论上的能源使用效率超过90%;目前，美国IBM Almaden Reseach Center正在进行锂空气电池研究，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业参加了该项目，研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。

　　国内：中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队通过抑制锂空气电池电解液分解，调控空气电极固—液—气三相界面以及优化锂—空二次电池体系与结构，成功将锂空气电池循环寿命从文献报道的最长100次提高至500次。然而目前锂空气电池只能在实验室中进行充放电实验，未能实现大规模的商业化应用。

　　4. 镁空气电池

　　工作原理：通过空气中的氧气和金属镁发生化学反应产生电能。

　　优点：储存寿命可达10年以上;可在多数场合临时使用，加清水或海水使之活化，活化后半小时内即可使用;工作电压十分平稳。

　　缺点：镁阳极的反应效率较低，空气阴极的响应速度较慢，尽管这种电池能够储存很多能量，但是将能量转换成实际的动力十分有限。

　　研发及应用进展

　　国外：韩国研发的一辆搭载完整镁空气电池的电动汽车能成功行驶800公里，是当前锂电池动力汽车平均续航里程的4倍;日本多家机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等，正积极推进镁空气电池的大容量化研究;日本Agua Power公司已经成功开发制造和商业化镁空气电池，并已注册专利十多项。

　　国内：2015年，宁波材料所动力锂电池工程实验室成功研制出1000Wh镁空气电池样机，该镁空气电池的重量为2.3 kg，能量密度可达430 Wh/kg，最大输出功率可达80W;2016年7月，南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授、美国休斯敦大学姚彦教授联合研究团队，成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用于镁空气电池，大幅降低了成本，可在中性电解液中稳定工作，其优越的催化活性极大提高了镁空气电池的效率。

　　综观以上信息，我们可以发现，金属空气电池中，铝空气电池和锌空气电池已经开始了规模化生产，镁空气电池在日本有了小规模生产，而锂空气电池还处于实验室研究阶段，离商业化还有不小距离。铝空气电池的自身特性导致阳极材料的过度消耗，锌空气电池电解液遭遇的瓶颈及电极自放电问题，都大大阻碍了其大规模商业化进程。如果金属空气电池不能实现大规模商业化，其续航优势并不能造福消费者，对于人们的“续航焦虑”，金属空气电池只能是一个潜在解决方案，要大面积解决“续航焦虑”问题，也许专注现有动力锂离子电池显得更为实际。