锌空气电池技术进展

本刊刘春娜

1 概述

锌空气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池负极采用了锌合金，正极材料则是空气中的氧。在储存时一般保持密封，所以基本上没有自放电。电池外表面为镍金属外壳，是具有良好的防腐性的导体。阳极是起催化作用的碳,可从空气中吸收氧；阴极是锌粉和电解液的混合物，成糊状；电解液是高浓度的氢氧化钾水溶液；隔离层用于隔离两极间固体粉粒的移动；绝缘和密封衬垫为尼龙材料(图1)。

图1 锌空气电池结构图

在电池产生电力的过程中，空气必须无阻挡地进入电池，抵达阴极，并释放电荷，因此电池壳体上必须有一个或多个孔。由于在使用前就让空气进入会无谓地消耗反应物质，同时过多的水分会降低电池的性能，因此电池在使用前，孔要用胶带封起来。由于这样的结构和工作原理，使得锌空气电池具有能量密度高、贮存时间长、生产成本低廉等优点。

锌空气电池的空气电极 (亦称正极或阴极)主要是用一些高分子聚合物(如聚四氟乙烯)、活性炭、催化剂(二氧化锰、银、铂等)及集流体材料制成，制成品是一种能透气、不透液、能导电、有催化活性的薄膜。由于构成正极的薄膜很薄，因此在整个电池中所占的空间极小。另外，电池反应所需的氧气，可从空气中随时取用，无需储存在电池中。这样，与其他种类的电池相比，同样体积的锌空气电池就可以用更多的空间来充填阳极材料，这就是锌空气电池为什么会具有高比能量的重要原因。

2 应用

锌空气电池可用于以下几方面：(1)用于航标灯，也可用作铁路信号、公路信号、地震测量仪、导航机、通信机、战时医疗手术照明等，可取代普通的中性和碱性干电池；(2)作备用电源代替笨重的铅酸蓄电池。如单体300 Ah圆柱型锌空气电池，其质量仅为0.75 kg，而同样的铅酸蓄电池的质量则大于8 kg；(3)在没有工业电的地方（如野外、山区、林区、海上）用作电源；(4)作军用电源和电站调峰用。锌空气电池除可用于步兵随身携带电源外，还可用作潜艇潜入水下的动力电源，代替目前所使用的铅酸蓄电池，以提高潜艇速度。

3 发展

锌空气电池的发明已经有上百年的历史，以其容量大、能量高、工作电压平稳、使用寿命长、性能稳定、无毒无害、安全可靠、没有爆炸隐患、资源丰富、成本低廉等诸多优点而被公认为非常优秀的储能材料。1995年以色列电燃料(Electric Fuel)有限公司首次将锌空气电池用于电动汽车上，使得锌空气电池进入了实用化阶段。美国、德国、法国和瑞典等多个国家也都在电动汽车上积极地推广应用锌空气电池。

美国Dreisback Electromotive公司开发的锌空气电池，已在公共汽车和总重9吨的货车上使用，公共汽车可连续行驶10 h左右，货车最大续驶里程达113 km。美国EOS储能公司声称开发的锌空气电池可实现2 700次循环充放电。仅从充放电次数来看，这一技术远超其竞争对手，大大延长了电池寿命。由于受结构等因素限制，循环充放电次数少一直是锌空气电池的致命弱点。因此，锌空气电池目前只被用于助听器等小型机械，循环充放电次数为300～500次左右。据悉，EOS采用改进电解液化学性质和电池设计来延长电池寿命。他们的试验证明，一个0.3 kW的电池可以实现2 700次充放电而没有性能衰减。其最终目标是实现1万次循环，产品在电网储能中维持30年寿命。该技术显示了在电网储能和电动车方面的应用前景。据悉，锌空气电池用于电网储能所需成本仅是天然气调峰电站的一半。该公司负责人表示，EOS开发的锌空气电池，在储能量和成本上都打败了锂电池，所用材料无毒无危害。EOS的关键进步包括电解液化学性质的改变以及电池的设计。锌空气电池通常使用氢氧化钾——一个从空气中吸收二氧化碳的基本方法。这将产生碳酸钾，缓慢地堵塞电池的气孔。由于EOS的电池使用了一种新型的中性电解液，因此它们不用吸收二氧化碳。该公司还使用了一种水平的电池结构，靠重力将电解液从空气中分离出来，而不是靠一层物理薄膜。这一改变能够防止锌电极上产生的物质使薄膜破裂而造成电池失效。EOS计划融资2 000万美元，到2013年做成兆瓦级电网应用系统。不过EOS也承认，要达到1万次充放电的目标路还很长(图2)。相比之下，另一个从事类似技术研究的主要竞争者 ReVolt Technology公司则希望在2013年前实现1 000次循环。

图2 美国EOS公司千瓦级锌空气电池原型

德国奔驰汽车公司的MB410型电动厢式车，标准总质量为4 000 kg，采用150 kWh的锌空气电池,从法国的Chambery城越过阿尔卑斯山，连续爬坡150 km，山的最高处2 083 m，公路全程244 km，到达意大利的都灵，仅消耗了65%的电量(97.5 kWh)。该车从德国的不莱梅到波恩，最高车速达到120 km/h，一次充电后走完全程425 km的路程。

瑞典斯德哥尔摩市的电动货车、电动客车和电动服务车辆上，采用的锌空气电池比能量为180Wh/kg，比功率为100Wh/L，续驶里程350～425 km。该市的锌空气电池废料回收处理能力为250 kg/h，可为150辆EV提供再生的锌粒。

挪威科研机构SINTEF近几年通过改进锌电极以及内部湿度控制，实现了锌空气电池的充电技术。目前的可充电锌空气电池在实验中已经实现了超过100次充放电循环，预计寿命可达到200次。SINTEF在瑞士成立的ReVolt公司专门负责锌空气充电电池的产品开发，移动设备的锌空气充电电池随后也会推出。到上市时，其充放电寿命应可达到300到500次。另外，通过借鉴燃料电池结构，ReVolt表示锌空气充电电池未来还将应用在电动汽车当中，充放电寿命超过10 000次，不过这项技术目前距离实用还有很远的距离。

以色列电燃料有限公司开发的锌空气电池，装在载重1 000 kg、总重3 500 kg的电动邮车上，实验结果为：比能量达到207 Wh/kg，350 kg的锌空气电池使电动邮车行驶了300 km，最高车速可达120 km/h，由静止加速到80 km/h为12 s，该车具有良好的动力性能。更换锌粒匣和灌满电解质的时间为2 m in。以色列设有每小时能处理10 kg锌的再生处理厂，可以为10～15辆电动邮车更换锌粒匣服务。

在第63届德国法兰克福国际车展的最后一天，一款由来自中国台湾和香港的研究人员组成的团队(APET)研发的锌空气电池电动汽车广受关注。这款新车大大降低了生产成本，解决了发电稳定性、漏电、封装等一系列技术难题。APET研发的锌空气电池质量为 180 kg，能够产生44 kWh的电量，续航能力达到350 km。如果要产生同样电量，锂电池的质量要达到360 kg。

博信电池(PowerZinc)现已研制出的锌能源驱动电动公交车，一次续航里程超过320公里。博信是目前能把锌空气动力燃料电池技术推进到最接近产品化的公司，已得到美国政府的高度认可和支持，其技术已在美国申请了专利，并申请了包括中国在内的世界上126个国家的专利及优先权。博信的锌空气电池以充电时间短(几分钟)，持续时间长，动力强劲著称，其示范车在美国拉斯维加斯运行5年，情况良好。

武汉也有锌空气电池新能源车亮相。目前采用该电池的新能源车已通过国家整车资质审核，明年将投入示范运营。根据国家相关规划，它还属于起步阶段。但相较于目前“主流”新能源车使用的锂电池而言，售价便宜2/3，续航里程多了近一倍。“采用锌空气电池的新能源车不需要充电。”该公司负责人说，“电池是循环利用，完全没有污染。”目前，同样型号的车型使用锌空气电池相较于锂电池大概可轻1/3。而且，采用锂电池的纯电动公交售价大约为90万，而使用锌空气电池的售价不过30万元。但由于它的比功率不足，最高时速仅60公里，不能达到小轿车的要求，不过非常适合公交车、微型动力车。

江苏常熟合众环保能源技术研究所的研究人员一直致力于锌空气电池研究。他们认为：若用锌空气电池来替代锂电池，并以换电模式提供续能服务，以标准通用的电池模块提高通用性，让发电厂用谷电制作锌空气电池，利用已有换电站、加油站换电，“那么，当前困扰电动汽车发展的非技术原因就能得以解决，并以此来解决技术制约的瓶颈困扰，那么电动汽车商业化前景会豁然开朗，迎来光明前程”。

4 争议

尽管有专家认为锌空气电池现在大多是炒作，玩概念，是实验室里的理想状态，实际要想做到大规模的批量化生产非常困难。而且，关于锌空气电池，以前曾鼓励发展过，产业结构调整后，相关部门已经不鼓励其发展，近年电池结构调整目录已决定将其调整出去。但仍有业内人士认为，锌空气电池是真正意义上可循环使用的清洁无污染化学电源。放完电之后的氧化锌经电解再生后又成为金属锌，再制成电池，而且锌粉损耗极少，几乎可以忽略不计。

而且，在车辆上更换锌空气电池有专门的装置十分方便。最关键的是，锌空气电池目前的比能量是200 Wh/kg，是锂电池的两倍，相同质量的电池组其电量使原有电动汽车的续航里程增加一倍，接近燃油汽车的续航里程。若有更高效的发动机，节省电力，那么续航里程将更远，超过燃油汽车一次加油的续航里程是有可能的。若装备了与锂电池相同质量的锌空气电池，其行驶里程可以增加到约160千米；出租车运营里程一天400多千米，只需要再增加一些电池即可满足一天换一次电池的要求。

随着油价的不断提升，锌空气电池原先的成本劣势也开始不断消退，这使得推广应用之路显得并不遥远。

据悉，锌空气电池最大的消耗是电能，即将放完电后的报废电池中的氧化锌粉经电解后还原成金属锌粉，并分解出化学电解质。这个再生过程需要消耗较多的电能，一般情况下，在电动车上放电的锌空气电池组每放1千瓦时电的锌粉需要4.5千瓦时电再生，即再生到放电是4.5比1，这个电耗比例与二次电池相比，电能转换效率很低。它与电解水制氢再用氢气供燃料电池发电的电能消耗比例相当。

此外，锌空气电池是反复循环的，整车出厂时不含电池成本，只需一个专门的电池舱即可，同时不需要电池管理系统、安全监控系统、车载充电器、插头插座等，电动汽车只要具备电机驱动系统和调速控制器即可，这样电动汽车的成本就不会高于同配置的燃油汽车了。

而且电动汽车使用锌空气电池，用户不必考虑几年后再换一组动力电池的投入。另外，锌空气电池不会产生爆炸事故，是稳定的化学电源，只需停止供应氧气，就不反应不放电。同时它是固体，不会渗漏电解液，对道路及行人不会产生危害。

锌空气电池一旦规模扩大，能够自动制作，成本会大大下降。如果一个城市的公交车、公务车、私家车等都采用了由锌空气电池提供的电能，电池需求量巨大而且每天都需要它，那么发电厂在谷电时段开工制作锌空气电池，利用谷电的低价位，可以使用户最终花费很低，使电动汽车的电耗与目前价位的油耗费用更接近甚至持平，从而使电动汽车为市场所接受，具有一定的竞争力。