特斯拉成功申請多項專利 金屬空氣電池能否終結“續航焦慮”?

在成功申請混合動力系統專利后，特斯拉最近獲得了金屬空氣電池充電技術專利。業內人士認為，如果這項技術實用，將進一步提高電動汽車的續航里程。

人們可能不熟悉金屬空氣電池。它們不像鋰離子電池那樣在新能源汽車領域發揮著受歡迎的作用，但金屬空氣電池確實有很大的潛力。一旦商業化，它們足以讓四個人大吃一驚。早在2014年，加拿大美鋁公司和以色列Phenergy公司就在蒙特利爾向公眾展示了具有超強續航能力的鋁空氣電池技術。這種電池壽命高達3000公里至3000公里的金屬電池的概念是什么？從北京到海南，一直向南，不需要收費！

既然金屬空氣電池如此神奇，那么電動汽車的電池壽命能否得到解決？電池中國網對金屬空氣電池進行了全景掃描。我希望這些信息對每個人都有幫助。

金屬空氣電池種類繁多，目前取得研究進展的金屬空氣電池主要包括鋁空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池和鎂空氣電池。

1.鋁空氣電池

工作原理：鋁空氣電池以高純度鋁鋁（含99.99%鋁）為陽極，氧氣為陰極，氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質。鋁吸收空氣中的氧氣，當電池放電時，氧氣會產生化學反應，鋁和氧氣會反應轉化為氧化鋁。

優點：鋁空氣電池無、無害、無污染、可回收等。對于電動汽車來說，鋁空氣電池還具有電池重量輕、比能大、不依賴電網充電的優點，可以明顯減輕車輛重量，增加車輛續航里程。根據行業數據，鋁空氣電池的理論比能可達8100Wh/kg，目前實際比能約為350Wh/kg。

缺點：比功率低，放電速度慢；電壓滯后；自放電率大；需要一個熱管理系統來防止鋁空氣電池在工作時過熱。陽極腐蝕會在放電過程中產生氫氣，這將導致陽極材料的過度消耗，并增加電池內部的電損耗。

開發和應用進展

國外：在美國加利福尼亞州，有記錄表明，使用鋁空氣電池的電動汽車只更換了一次鋁電極，續航里程達到1600公里。2014年，加拿大美鋁公司和以色列Phenergy公司展出了續航里程3000公里的鋁空氣電池，一度引起轟動。

國內：2015年8月，有限公司有限公司與昆明冶金研究院成立創能公司，落地10MW鋁空氣電池生產線；2015年，中國電力與PHINERGY成立合資公司，計劃在公交車、客車、物流車和運動型多用途車等電動汽車中推廣鋁空氣電池；有限公司擁有完整的鋁空氣電池核心技術，從陽極材料技術到電池熱管理和鋁空氣電池管理系統，并開發了不同功率等級的鋁空氣蓄電池模塊，如100W~5000W；目前，德陽東神新能源公司研發制造的鋁空氣金屬燃料發電電池已正式量產，這是鋁空氣電池首次在全國范圍內實現產業化和商業化。

2.鋅空氣電池

工作原理：鋅空氣電池又稱鋅氧電池，是以吸收空氣中氧氣或純氧的活性炭為正極活性物質，鋅為陽極，氯化銨或堿液為電解液的一次電池。

優點：比能量高，最高可達340Wh/kg；重量為鋰電池的50%；續航里程為鋰電池的200%；

安全、穩定的放電性能和低成本。

缺點：電池容易爬堿和漏電，電解液容易因蒸發而干涸，電解液容易由于外部CO2的進入而碳酸化，鋅電極容易腐蝕并導致自放電。這些將嚴重影響鋅空氣電池的性能和質量。

開發和應用進展

國外：2015年8月，加拿大滑鐵盧大學“鋅空氣電池第一人”陳忠偉博士的研究團隊使用硅電極制備了鋅空氣電池的能量密度，其密度在原來的基礎上增加了40%。

國內：2011年，中國第一輛鋅空氣電動客車正式上市。該型純電動城市公交車連續行駛里程300公里，最高時速80公里，運營成本比傳統鋰電池電動汽車低1/3。2014年11月，《電動汽車鋅空氣電池行業標準》正式實施，該標準涵蓋了電動汽車鋅-空氣電池的要求和測試方法。2015年，天津九能京通公司鋅空氣燃料電池項目被列為天津市重大產業項目，并通過了國家863動力電池測試中心的產品檢驗鑒定，形成了年產5萬套新能源汽車鋅空氣燃料細胞的生產能力，并已投入商業運營。

3.鋰空氣電池

工作原理：鋰空氣電池以鋰為陽極，空氣中的氧氣為陰極。在放電過程中，陽極中的鋰釋放電子并成為鋰陽離子（Li）。Li穿過電解質材料，并在陰極處與氧和從外部電路流出的電子結合，以產生留在陰極處的氧化鋰（Li2O）或過氧化鋰（Li2O3）。

優點：理論上，它的容量大，可以提供相當于汽油的能量，而且電池相對較輕和較小。

缺點：成本高，作為動力電池，續航里程不高。

開發和應用進展

國外：2009年，日本研究機構開發了一種新型大容量鋰空氣電池；2015年，英國劍橋大學研發的鋰空氣電池可再充電2000多次，電池理論能效超過90%；目前，美國IBM Almaden研究中心正在進行鋰空氣電池的研究，朝日株式會社有限公司和中央硝酸鹽有限公司兩家公司參與了該項目。研究團隊計劃到2020年實現鋰空氣電池的量產和普及。

國內：由中國科學院長春英華研究所研究員張新波領導的研究團隊通過抑制電解質的分解，成功地將鋰空氣電池的循環壽命從報道的最長的100次提高到500次，調節空氣電極的固液氣三相界面，優化鋰空氣二次電池的系統和結構。但目前，鋰空氣電池只能在實驗室進行充放電，尚未大規模商業化。

4.鎂空氣電池

工作原理：通過空氣中的氧氣和金屬鎂之間的化學反應，產生電能。

優點：儲存壽命可達10年以上；在大多數情況下可以臨時使用，通過加水或海水活化，活化后半小時內即可使用；工作電壓非常穩定。

缺點：鎂陽極的反應效率低，空氣陰極的反應速度慢。盡管這種電池可以儲存大量能量，但將能量轉換為實際功率是非常有限的。

開發和應用進展

國外：一輛配備韓國研發的完整鎂空氣電池的電動汽車可以成功行駛800公里，是目前鋰電池動力汽車平均巡航里程的四倍；日本多家機構，包括古河電池、尼康、日產汽車、東北大學、宮城縣等，都在積極推進大容量鎂空氣電池的研究；

日本阿瓜電力公司已成功開發、制造和商業化鎂空氣電池，并已注冊十多項專利。

國內：2015年，寧波材料學院動力鋰電池工程實驗室成功研制出1000Wh鎂空氣電池樣機，重量2.3公斤，能量密度430瓦時/公斤，最大輸出功率80W；2016年7月，南開大學電子信息與光學工程學院的王偉超教授和美國休斯頓大學的姚巖教授共同研究了錳基莫來石作為催化劑在鎂空氣電池中的應用，大大降低了成本，可以在中性電解液中穩定工作。其優異的催化活性大大提高了鎂空氣電池的效率。

查看上述信息，我們可以發現，在金屬空氣電池中，鋁空氣電池和鋅空氣電池已經開始大規模生產，鎂空氣電池在日本已經小規模生產，而鋰空氣電池仍處于實驗室研究階段，遠未實現商業化。鋁-空氣電池的特性導致鋅-空氣電池陽極材料的過度消耗、電解液的瓶頸和電極自放電問題，極大地阻礙了其大規模商業化進程。如果金屬空氣電池不能大規模商業化，其續航優勢就無法惠及消費者。對于人們的續航焦慮，金屬空氣電池只能是一個潛在的解決方案。要想大面積解決續航焦慮的問題，專注于現有的動力鋰離子電池可能更實用。在成功申請混合動力系統專利后，特斯拉最近獲得了金屬空氣電池充電技術專利。業內人士認為，如果這項技術實用，將進一步提高電動汽車的續航里程。

人們可能不熟悉金屬空氣電池。它們不像鋰離子電池那樣在新能源汽車領域發揮著受歡迎的作用，但金屬空氣電池確實有很大的潛力。一旦商業化，它們足以讓四個人大吃一驚。早在2014年，加拿大美鋁公司和以色列Phenergy公司就在蒙特利爾向公眾展示了具有超強續航能力的鋁空氣電池技術。這種電池壽命高達3000公里至3000公里的金屬電池的概念是什么？從北京到海南，一直向南，不需要收費！

既然金屬空氣電池如此神奇，那么電動汽車的電池壽命能否得到解決？電池中國網對金屬空氣電池進行了全景掃描。我希望這些信息對每個人都有幫助。

金屬空氣電池種類繁多，目前取得研究進展的金屬空氣電池主要包括鋁空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池和鎂空氣電池。

1.鋁空氣電池

工作原理：鋁空氣電池以高純度鋁鋁（含99.99%鋁）為陽極，氧氣為陰極，氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）水溶液為電解質。鋁吸收空氣中的氧氣，當電池放電時，氧氣會產生化學反應，鋁和氧氣會反應轉化為氧化鋁。

優點：鋁空氣電池無、無害、無污染、可回收等。對于電動汽車來說，鋁空氣電池還具有電池重量輕、比能大、不依賴電網充電的優點，可以明顯減輕車輛重量，增加車輛續航里程。根據行業數據，鋁空氣電池的理論比能可達8100Wh/kg，目前實際比能約為350Wh/kg。

缺點：比功率低，放電速度慢；電壓滯后；自放電率大；需要一個熱管理系統來防止鋁空氣電池在工作時過熱。陽極腐蝕會在放電過程中產生氫氣，這將導致陽極材料的過度消耗，并增加電池內部的電損耗。

開發和應用進展

國外：在美國加利福尼亞州，有記錄表明，使用鋁空氣電池的電動汽車只更換了一次鋁電極，續航里程達到1600公里。2014年，加拿大美鋁公司和以色列Phenergy公司展出了續航里程3000公里的鋁空氣電池，一度引起轟動。

國內：2015年8月，有限公司有限公司與昆明冶金研究院成立創能公司，落地10MW鋁空氣電池生產線；2015年，中國電力與PHINERGY成立合資公司，計劃在公交車、客車、物流車和運動型多用途車等電動汽車中推廣鋁空氣電池；有限公司擁有完整的鋁空氣電池核心技術，從陽極材料技術到電池熱管理和鋁空氣電池管理系統，并開發了不同功率等級的鋁空氣蓄電池模塊，如100W~5000W；目前，德陽東神新能源公司研發制造的鋁空氣金屬燃料發電電池已正式量產，這是鋁空氣電池首次在全國范圍內實現產業化和商業化。

2.鋅空氣電池

工作原理：鋅空氣電池又稱鋅氧電池，是以吸收空氣中氧氣或純氧的活性炭為正極活性物質，鋅為陽極，氯化銨或堿液為電解液的一次電池。

優點：比能量高，最高可達340Wh/kg；重量為鋰電池的50%；續航里程為鋰電池的200%；

安全、穩定的放電性能和低成本。

缺點：電池容易爬堿和漏電，電解液容易因蒸發而干涸，電解液容易由于外部CO2的進入而碳酸化，鋅電極容易腐蝕并導致自放電。這些將嚴重影響鋅空氣電池的性能和質量。

開發和應用進展

國外：2015年8月，加拿大滑鐵盧大學“鋅空氣電池第一人”陳忠偉博士的研究團隊使用硅電極制備了鋅空氣電池的能量密度，其密度在原來的基礎上增加了40%。

國內：2011年，中國第一輛鋅空氣電動客車正式上市。該型純電動城市公交車連續行駛里程300公里，最高時速80公里，運營成本比傳統鋰電池電動汽車低1/3。2014年11月，《電動汽車鋅空氣電池行業標準》正式實施，該標準涵蓋了電動汽車鋅-空氣電池的要求和測試方法。2015年，天津九能京通公司鋅空氣燃料電池項目被列為天津市重大產業項目，并通過了國家863動力電池測試中心的產品檢驗鑒定，形成了年產5萬套新能源汽車鋅空氣燃料細胞的生產能力，并已投入商業運營。

3.鋰空氣電池

工作原理：鋰空氣電池以鋰為陽極，空氣中的氧氣為陰極。在放電過程中，陽極中的鋰釋放電子并成為鋰陽離子（Li）。Li穿過電解質材料，并在陰極處與氧和從外部電路流出的電子結合，以產生留在陰極處的氧化鋰（Li2O）或過氧化鋰（Li2O3）。

優點：理論上，它的容量大，可以提供相當于汽油的能量，而且電池相對較輕和較小。

缺點：成本高，作為動力電池，續航里程不高。

開發和應用進展

國外：2009年，日本研究機構開發了一種新型大容量鋰空氣電池；2015年，英國劍橋大學研發的鋰空氣電池可再充電2000多次，電池理論能效超過90%；目前，美國IBM Almaden研究中心正在進行鋰空氣電池的研究，朝日株式會社有限公司和中央硝酸鹽有限公司兩家公司參與了該項目。研究團隊計劃到2020年實現鋰空氣電池的量產和普及。

國內：由中國科學院長春英華研究所研究員張新波領導的研究團隊通過抑制電解質的分解，成功地將鋰空氣電池的循環壽命從報道的最長的100次提高到500次，調節空氣電極的固液氣三相界面，優化鋰空氣二次電池的系統和結構。但目前，鋰空氣電池只能在實驗室進行充放電，尚未大規模商業化。

4.鎂空氣電池

工作原理：通過空氣中的氧氣和金屬鎂之間的化學反應，產生電能。

優點：儲存壽命可達10年以上；在大多數情況下可以臨時使用，通過加水或海水活化，活化后半小時內即可使用；工作電壓非常穩定。

缺點：鎂陽極的反應效率低，空氣陰極的反應速度慢。盡管這種電池可以儲存大量能量，但將能量轉換為實際功率是非常有限的。

開發和應用進展

國外：一輛配備韓國研發的完整鎂空氣電池的電動汽車可以成功行駛800公里，是目前鋰電池動力汽車平均巡航里程的四倍；日本多家機構，包括古河電池、尼康、日產汽車、東北大學、宮城縣等，都在積極推進大容量鎂空氣電池的研究；

日本阿瓜電力公司已成功開發、制造和商業化鎂空氣電池，并已注冊十多項專利。

國內：2015年，寧波材料學院動力鋰電池工程實驗室成功研制出1000Wh鎂空氣電池樣機，重量2.3公斤，能量密度430瓦時/公斤，最大輸出功率80W；2016年7月，南開大學電子信息與光學工程學院的王偉超教授和美國休斯頓大學的姚巖教授共同研究了錳基莫來石作為催化劑在鎂空氣電池中的應用，大大降低了成本，可以在中性電解液中穩定工作。其優異的催化活性大大提高了鎂空氣電池的效率。

查看上述信息，我們可以發現，在金屬空氣電池中，鋁空氣電池和鋅空氣電池已經開始大規模生產，鎂空氣電池在日本已經小規模生產，而鋰空氣電池仍處于實驗室研究階段，遠未實現商業化。鋁-空氣電池的特性導致鋅-空氣電池陽極材料的過度消耗、電解液的瓶頸和電極自放電問題，極大地阻礙了其大規模商業化進程。如果金屬空氣電池不能大規模商業化，其續航優勢就無法惠及消費者。對于人們的續航焦慮，金屬空氣電池只能是一個潛在的解決方案。要想大面積解決續航焦慮的問題，專注于現有的動力鋰離子電池可能更實用。

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