干货|几种金属空气电池的国内外研发及应用进展

金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。

金属空气电池以活泼的金属作为阳极，具有安全、环保、能量密度高等诸多优点。具有良好的发展和应用前景，甚至被寄予厚望替代当前新能源汽车主要的动力电池类型—锂离子动力电池。

制作金属空气电池，可选用的原材料比较丰富。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、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等。这几种类型的金属空气电池有的已经具备大规模量产的条件，有的还停留在实验室阶段，有的已经在电动汽车方面取得良好的应用成果，并即将大规模装载新能源车辆。

本文将分别介绍上述几种金属空气电池的研发及应用进展。

一、铝空气电池

1、工作原理

铝空气电池以高纯度铝Al（含铝99.99%）为负极、氧为正极，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。

2、特点

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，铝空气电池具有质量轻、比能量大的显著特点。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，是锂电池的2.3倍，镍氢电池的6倍，铅酸电池的7倍多。

这种电池对于减轻汽车重量，增加续航里程具有明显的帮助。

3、研发及应用进展

国外：

据相关资料，美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。

美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量。

国内：

云铝股份与昆明冶金研究院共同出资组建创能铝空气电池股份有限公司，投资铝-空气电池研发项目。目前，创能铝空气电池研发项目正在推进中。

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。并计划在大陆、香港、澳门进行推广。

二、镁空气电池

1、工作原理

2、特点

能量密度高、理论电压高、清洁安全。镁储量丰富，具有成本优势。

镁空气电池的能量密度可达重量相等的锂电池的10倍。

不足之处在于，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。

3、研发及应用进展

国外：

据报道，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、宫城县日向市等产学研机构和政府部门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，现已注册专利16个。

国内：

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。

1000Wh 镁空气电池样机演示图

该电池由5个单体电池串联而成，以AZ31镁合金为阳极，以10%的NaCl溶液为电解液，以上述空气扩散电极和锰氧化物催化剂为阴极。该镁空气电池的外观尺寸为200×150×150 mm3，重量为2.3 kg，能量密度可达430 Wh/kg，最大输出功率可达80W。

某公司生产的镁空气电池使用水作为电解液，其自带的LED灯可持续照明90至100小时，一次可为20部智能手机充电。这种镁空气电池作为应急电源应用。

三、锌空气电池

1、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正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。

阳极： Zn 2OH– → ZnO H2O 2e–

阴极： O2 2H2O 4e– → 4OH–

综合： 2Zn O2→ 2ZnO

2、特点

比能量高，可达到340Wh/kg。安全、放电性能稳定、成本低廉。重量是锂电池的50%，续驶里程是锂电池的200%，初装价格约为锂电池的40%。

3、研发及应用进展

国外：

加拿大滑铁卢大学陈忠伟博士及其团队的研究取得了显著的进展。

国内：

“车用锌空气电池项目”被列入国家863重大科技专项一。

国内某锌空气电池制造公司联合某整车制造商计划今年推出500辆12米装载锌空气电池的纯电动公交车，整车造价百万，其中电池价格约为40万。

根据计划该公司2017年将生产出满足3000辆电动汽车使用的锌空气动力电池。

四、锂空气电池

1、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。锂空气电池的开路电压为2.91 V。

2、特点

锂空气电池的比能量是锂离子电池的10倍，体积更小，重量更轻。不足之处在于，仍处于实验室阶段，实现商业化尚需要10年左右的时间。

3、研发及应用进展

国外：

英国剑桥大学所研制出的锂空气电池能够循环充电2000次以上。该电池在理论上的能源使用效率超过90％。

2009年，日本研究机构开发出了新构造的大容量锂空气电池。

美国IBMAlmaden 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：

中科院成功研制出锂空气电池单体。