空氣電池

基本信息

　　應(yīng)用：未來用于海上指示燈、應(yīng)急燈等

　　PS：在名偵探柯南“巧克力的火熱陷阱”中有提到。

空氣電池的分類

鋅空氣電池

　　鋅空氣電池( zinc air battery)，用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種原電池。又稱鋅氧電池。分為中性和堿性兩個體系的鋅空氣電池，分別用字母A和P表示，其后再用數(shù)字表示電池的型號。

　　鋅空氣電池的充電過程進(jìn)行得十分緩慢，為解決這一問題，通常鋅空氣電池 的負(fù)極鋅板或鋅粒，被氧化成氧化鋅而失效后，一般采用直接更換鋅板或鋅粒和電解質(zhì)的方法，使鋅空氣電到完全更新。放電時正、負(fù)極和總反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

　　負(fù)極：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ

　　正極：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ

　　總反應(yīng)：2Zn+O2=2ZnO

　　現(xiàn)在鋅錳電池中用含鉑的多孔性炭電極代替二氧化錳炭包，開發(fā)了鋅空氣干電池的技術(shù)。

　　鋅空氣電池主要有4種類型：

　?、僦行凿\空氣電池：結(jié)構(gòu)與鋅錳圓筒形電池的類同，也采用氯化銨與氯化鋅為電解質(zhì)，只是在炭包中以活性炭代替了二氧化錳，并在蓋上或周圍留有通氣孔，在使用時打開；

　?、诩~扣式鋅空氣電池：結(jié)構(gòu)與鋅銀扣式電池基本相同，但在正極外殼上留有小孔，使用時可打開；

　　③低功率大荷電量的鋅空氣濕電池：將燒結(jié)或粘接式活性炭電極和板狀鋅電極組合成電極組浸入盛有氫氧化鈉溶液的容器中；

　?、芨吖β输\空氣電池：一般是將薄片狀粘結(jié)式活性炭電極裝在電池外壁上，將鋅粉電極裝在電池中間，兩者之間用吸液的隔膜隔離，上口裝有注液塞。使用時注入氫氧化鉀溶液。這種電池便于攜帶。低功率鋅空氣濕電池和高功率鋅空氣電池屬于臨時激活型，活性炭電極能反復(fù)使用，因而電池在耗盡電荷量以后，只要更換鋅電極和堿液，就可重復(fù)使用。

鋰空氣電池

　　大容量鋰-空氣電池并非新概念，至今都未普及原因是它存在致命缺陷，日本的研究院克服了這個困難，但要想實現(xiàn)商用，可能還需要10年。

　　減碳，對于人類福祉來說，絕對不是離譜的要求，但對于全球汽車業(yè)來說，卻是一件困難的事情。

　　眾所周知，鋰離子電池廣泛用于手機(jī)和筆記本電腦等，目前也已經(jīng)是下一代充電式混合動力車和電動車的理想之選。它比其它汽車電池的密度更高、電量更充足，但也更貴，受制于電池容量，充電后的行駛距離仍不夠遠(yuǎn)。即將于2010年上市的雪佛蘭Volt混合動力汽車如果僅僅使用電池，只能行駛40公里。

　　盡管仍有改進(jìn)的空間，但鋰離子電池的潛力依然有限。普遍認(rèn)為，要實現(xiàn)電動汽車的普及，能源密度需達(dá)到目前的約6～7倍。于是，理論上能源密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋰離子電池的金屬鋰空氣電池備受關(guān)注。雖然仍使用有機(jī)溶媒，但它卻以全新的構(gòu)成極大提高電池的能量密度。

　　鋰-空氣電池并非新概念。由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質(zhì)，理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。另外，如果負(fù)極使用金屬鋰，理論容量會比鋰離子充電電池提高一位數(shù)。

　　但是，為什么鋰-空氣電池至今都未普及？原因是它存在致命缺陷，即固體反應(yīng)生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。

　　2009年2月，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所能源技術(shù)研究部門能源界面技術(shù)研究小組組長周豪慎和日本學(xué)術(shù)振興會(JSPS)外籍特別研究員王永剛共同開發(fā)出了新構(gòu)造的大容量鋰空氣電池。

　　他們通過將電解液分成兩種來解決上述問題。在負(fù)極(金屬鋰)一側(cè)使用有機(jī)電解液，在正極(空氣)一側(cè)使用水性電解液。在兩種電解液之間設(shè)置只有鋰離子穿過的固體電解質(zhì)膜，將兩者隔開。這樣便可防止電解液混合，并促進(jìn)電池發(fā)生反應(yīng)。

　　負(fù)極用電解液組合使用的是含有鋰鹽的有機(jī)電解液。雖然不能棄用有機(jī)溶媒，但卻限定了使用方法。正極用水性電解液使用堿性水溶性凝膠，與微細(xì)化后的碳和低價氧化物催化劑形成的正極組合。

　　在鋰-空氣電池中，由于放電反應(yīng)生成的并非是固體的Li2O，而是容易溶解在水性電解液中的LiOH(氫氧化鋰)。氧化鋰在空氣電極堆積后，不會導(dǎo)致工作停止。水及氮等也不會穿過固體電解質(zhì)的隔壁，因此不存在與負(fù)極的鋰金屬發(fā)生反應(yīng)的危險。而且，在充電時，如果配置充電專用的正極，還可防止充導(dǎo)電致空氣電極的腐蝕和老化。

　　實驗證明，以0.1A/g的放電率進(jìn)行放電時，放電容量約為9000mAh/g，而以前的鋰-空氣電池的放電容量僅為700～3000mAh/g，可以說實現(xiàn)了容量的大幅增加。

　　另外，如果使用水溶液取代水溶性凝膠，便可在空氣中以0.1A/g的放電率連續(xù)放電20天，其放電容量約為5萬mAh/g(空氣極的單位質(zhì)量)，比原來高一位數(shù)。由于金屬鋰電池的容量原本就比鋰離子電池高一位數(shù)，因此該數(shù)值共比鋰離子充電電池高兩位數(shù)。

　　現(xiàn)在，由于水溶液的性能較高，而在易用性上凝膠更為出色，科學(xué)家們今后需要考慮決定究竟對這兩者中的哪一個進(jìn)行開發(fā)。

　　了解到，這種技術(shù)還可考慮與單純的充電電池不同的使用方法。如果不對電池進(jìn)行充電，而是通過汽車底座更換正極的水性電解液，以卡盒等方式補(bǔ)給負(fù)極的金屬鋰，汽車便可實現(xiàn)無需充電等待時間，立即行駛。

　　而且，通過回收用過的水性電解液，以電氣方式重新生成金屬鋰，還可繼續(xù)作為電池負(fù)極燃料循環(huán)使用，避免產(chǎn)生其他污染。鋰-空氣電池可以說是以金屬鋰為燃料的新型燃料電池。

　　科學(xué)家認(rèn)為，鋰空氣電池的性能是鋰離子電池的10倍，可以提供與汽油同等的能量。鋰空氣電池從空氣中吸收氧氣充電，因此這種電池可以更小、更輕。全球不少實驗室都在研究這種技術(shù)，但如果沒有重大突破，要想實現(xiàn)商用可能還需要10年。

鋁空氣電池

　　鋁空氣電池，顧名思義就是以鋁與空氣作為電池材料的一種新型電池。它是一種無污染、長效、穩(wěn)定可靠的電源，是一款對環(huán)境十分友好的電池。電池的結(jié)構(gòu)以及使用的原材料可根據(jù)不同實用環(huán)境和要求而變動，具有很大的適應(yīng)性，既能用于陸地也能用于深海，既可做動力電池，又能作長壽命高比能的信號電池，是一款十分強(qiáng)大的電池，有很廣闊的應(yīng)用前景。

　　鋁空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與鋅空氣電池類似，鋁空氣電池以高純度鋁Al(含鋁99.99%)為正極、氧為負(fù)極，以氫氧化鉀(KOH)和氫氧化鈉(NaOH)水溶液為電解質(zhì)。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，鋁和氧作用轉(zhuǎn)化為氧化鋁。鋁空氣電池的進(jìn)展十分迅速，它在EV上的應(yīng)用已取得良好效果，是一種很有發(fā)展前途的空氣電池。

　　鋁空氣電池的特點：

　　1、比能量大

　　鋁空氣電池的實際比能量只達(dá)到350～400Wh/kg，這數(shù)值還不及它理論值的5%。但就是這5%不到的比能量也是鉛酸電池的7～8倍、鎳氫電池的5.8倍、鋰電池的2.3倍。

　　若采用鋁空氣電池的電動車，續(xù)駛里程明顯地提高。國外有關(guān)資料介紹，美國加利福尼亞州在使用鋁空氣電池的電動汽車上，有過只更換一次鋁電極續(xù)駛里程達(dá)1600km的記錄。

　　2、質(zhì)量輕

　　我國開發(fā)和研制的牽引用動力型鉛酸蓄電池的總能量為13.5kWh，總質(zhì)量為375kg。而同樣能量的鋁空氣電池總質(zhì)量僅45kg，為鉛酸蓄電池質(zhì)量的12%。由于電池質(zhì)量大大減輕，車輛的整備質(zhì)量也降低，可以提高車輛的裝載能量或延長續(xù)駛里程。

　　3、鋁沒有毒性和危險性

　　鋁對人體不會造成傷害，可以回收循環(huán)使用，不污染環(huán)境。鋁的原材料豐富，已具有大規(guī)模的鋁冶煉廠，生產(chǎn)成本較低。鋁回收再生方便，回收再生成本也較低。而且可以采用更換鋁電極的方法，來解決鋁空氣電池充電較慢的問題。

　　正如所有的事物有其優(yōu)秀的一面也有不足的一方一樣，鋁空氣電池也有不足之處。

　　雖然它含有高的比能量，但比功率較低，充電和放電速度比較緩慢，電壓滯后，自放電率較大，需要采用熱管理系統(tǒng)來防止鋁空氣電池工作時的過熱。

　　最新研發(fā)

　　日本正在推進(jìn)空氣鎂電池的大容量化研究，該電池的工作原理為通過空氣中的氧氣和金屬鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。參與的機(jī)構(gòu)包括古河電池、尼康、日產(chǎn)汽車、日本東北大學(xué)、宮城縣日向市等產(chǎn)業(yè)界、學(xué)界、政府方面的11個單位。作為研究的第一步，古河電池計劃在年內(nèi)生產(chǎn)出發(fā)電量為300瓦的應(yīng)急電源，用于給手機(jī)等充電。