什么是鋅空氣電池
鋅空氣電池是一類(lèi)特殊的燃料電池，正極利用空氣中的氧，負(fù)極采用金屬鋅，電解液采用水溶性電解液，已有100多年的發(fā)展歷史。主要產(chǎn)品類(lèi)型分為鋅空氣一次電池和鋅空氣二次電池，一次電池常應(yīng)用于路燈中，可再充式鋅空氣二次電池因大規(guī)模儲(chǔ)能的興起率先在美國(guó)產(chǎn)業(yè)界引起重視。
可直接再充式鋅空氣二次電池在運(yùn)行過(guò)程中金屬鋅電極發(fā)生溶解或沉積，放電產(chǎn)物溶解在堿性電解液中；空氣中的氧氣在負(fù)載雙功能電催化劑的空氣電極中，進(jìn)行氧還原（ORR）或氧析出（OER）電化學(xué)反應(yīng)，完成電能與化學(xué)能相互可逆轉(zhuǎn)換。鋅空氣電池化學(xué)方程式如下：
負(fù)極：Zn+2OH–→ZnO+H2O+2e–
正極：O2+2H2O+4e–→4OH–
總反應(yīng)：2Zn+O2→2ZnO
鋅空氣電池特點(diǎn)
（1）低成本特性：原材料負(fù)極鋅、正極空氣、水基堿性電解液都足夠廉價(jià)。成本多產(chǎn)生在空氣電極催化劑，相比氫燃料電池催化劑，鋅空氣空氣電極催化劑服役在堿性電解質(zhì)中，催化劑種類(lèi)選擇極其廣闊。美國(guó)EOSEnergyStorage公司公開(kāi)信息顯示，250kW/1MWh系統(tǒng)系統(tǒng)全壽命周期成本為212$/kWh（約1450元/kWh），與鉛炭電池系統(tǒng)成本相當(dāng)。
（2）高能量特性：該電池正極使用空氣中的氧氣作為活性物質(zhì)，容量無(wú)限，電池比能量取決于負(fù)極容量，可達(dá)到350-500Wh/kg；
（3）高安全性：不易燃水電解質(zhì)、運(yùn)輸時(shí)無(wú)危險(xiǎn)、不含有毒物質(zhì)。此外，鋅空氣電池還兼具環(huán)保、可以靈活定制等特點(diǎn)，可以打破多個(gè)蓄電池市場(chǎng)的現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)格局，是一項(xiàng)非常有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和廣闊市場(chǎng)空間的技術(shù)。
鋅空氣電池發(fā)展現(xiàn)狀
1.鋅空氣一次電池研究現(xiàn)狀
鋅空氣電池發(fā)展到現(xiàn)在，其相關(guān)技術(shù)已不斷完善，各方面性能也有顯著提高，主要產(chǎn)品形式分為鋅空氣一次電池和鋅空氣二次電池，可以滿(mǎn)足多種用途的需求。
與其他一次電池相比，鋅空氣電池具有容量大、能量密度高、價(jià)格低廉、放電曲線(xiàn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。目前一次性電池產(chǎn)品除了常見(jiàn)的鈕扣式電池外也日益多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域相應(yīng)擴(kuò)大。
（1）鈕扣式一次電池
早期的商品鋅空氣電池僅限于鈕扣式一次電池，安全性好且價(jià)格便宜。用于便攜式電子產(chǎn)品中，主要是助聽(tīng)器。目前，這種電池的用途正在擴(kuò)大，因?yàn)楦吣芰棵芏戎饾u可以滿(mǎn)足各種用途的普遍要求，如電子手表、計(jì)算器、電子詞典等便攜式電子信息產(chǎn)品。
（2）其它結(jié)構(gòu)的一次電池
隨著圓柱型電池防漏問(wèn)題的逐步解決，使實(shí)用圓柱系列鋅空氣電池的生產(chǎn)與推廣工作得以實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)用在手機(jī)上的方形電池的研究在國(guó)內(nèi)一些研究單位也取得了不錯(cuò)的成果。先將鋅空氣電池推向移動(dòng)電話(huà)應(yīng)用領(lǐng)域的是以色列ElectricFuel公司，針對(duì)于Motorola手機(jī)使用，試驗(yàn)階段可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)通話(huà)6.2H，期望最終達(dá)到連續(xù)通話(huà)10H以上。這種電池與鋰離子電池、MH-Ni電池相比在價(jià)格、重量、通話(huà)時(shí)間等性能方面都顯示出顯著的優(yōu)越性。武漢大學(xué)也研制出方形結(jié)構(gòu)的用于移動(dòng)電話(huà)的鋅空氣電池，電池組比能量高達(dá)220Wh/kg最大輸出功率可達(dá)3.6W，并且其綜合性能完全滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)的使用要求。
另外，鋅空氣儲(chǔ)備電池也受到關(guān)注，這種電池相對(duì)體積小，儲(chǔ)能大，廣泛應(yīng)用于軍用裝置、航海照明、野外勘探等方面。
2.鋅空氣二次電池研究現(xiàn)狀
近年來(lái)電動(dòng)車(chē)發(fā)展迅速，給鋅空氣電池提供了廣闊的發(fā)展空間。鋅空氣電池具有能量高、零污染、不燃爆、可循環(huán)利用等特點(diǎn)，非常適宜用作城市電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力電源，具有很大的開(kāi)發(fā)潛能，使得人們對(duì)它的研究逐步轉(zhuǎn)移到大功率動(dòng)力電池上？鋅空氣二次電池也成了各研究機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。鋅空氣二次電池主要有直接再充式鋅空氣電池、機(jī)械更換式鋅空氣電池、鋅空氣燃料電池等。
（1）接可再充式鋅空氣電池
直接再充式鋅空氣電池是直接對(duì)鋅空氣電池的鋅電極充電，在此過(guò)程中存在很多的問(wèn)題。如鋅在堿性溶液中的電化學(xué)活性很大，同時(shí)熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，充電產(chǎn)物鋅酸鹽在強(qiáng)堿溶液中溶解度較高，因此電極容易出現(xiàn)變形、枝晶生長(zhǎng)、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極逐漸失效。另外，空氣電極可逆性差，且在大氣環(huán)境中電解液容易碳酸化，而且，電解液受空氣濕度的影響較大。當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)，電池將損失水分，導(dǎo)致電解液不足，使電池失效；當(dāng)空氣相對(duì)濕度較高時(shí)，電解液變稀，導(dǎo)電率降低，還有可能淹沒(méi)氣體電極的催化層，降低電極活性，導(dǎo)致電池失效。因此，可再充式鋅空氣二次電池的應(yīng)用受到了一定的限制
（5）機(jī)械充電式鋅空氣電池
鑒于直接可再充式鋅空氣電池存在的問(wèn)題難以得到解決，科研人員在研究過(guò)程中根據(jù)鋅空氣電池的放電特征及自身的特點(diǎn)，建立了新的二次鋅空氣電池充電理念———機(jī)械式“充電”。所謂機(jī)械式“充電”是指在電池完全放電后，將電池中用過(guò)的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個(gè)電池完全更換掉，整個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間為3-5min.鋅電極氣電池可在超市、電池經(jīng)營(yíng)點(diǎn)、汽配商店等購(gòu)買(mǎi)，對(duì)普及以鋅空氣電池作為動(dòng)力的電動(dòng)車(chē)十分有利。使用過(guò)的鋅電極或鋅空氣電池拿到專(zhuān)門(mén)的鋅回收利用廠進(jìn)行回收再加工，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保無(wú)污染。
近年來(lái)？以色列科學(xué)家對(duì)電動(dòng)車(chē)用機(jī)械再充式鋅空氣電池作了深入的探討。據(jù)J.R.Goidsrein等報(bào)道，他們研制的這類(lèi)電池組比能量達(dá)到180-200W/Kg，在80%放電深度時(shí)，峰值比功率可達(dá)到100W/KG。他們采用的電池模塊由22片單體電池組成，電容量達(dá)250ah總能量為6.25KWH。整個(gè)電池組由24個(gè)模塊組成，整體總能量為150kwh，質(zhì)量約800kg。僅更換一次鋅電極，車(chē)輛行駛里程即可超過(guò)300km，這一鋅空氣電池組已成功地用于德國(guó)郵政車(chē)輛上。更換鋅電極和鋅電極的再生工作由專(zhuān)門(mén)的充電站來(lái)完成。
中國(guó)科技大學(xué)研究小組在這方面也做了一些工作，他們研制的用于電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力電池有4個(gè)模塊，每個(gè)模塊10片單電池，整個(gè)電池組質(zhì)量約8kg，比能量達(dá)到200wh/kg，放電深度70%以上。該小組已基本完成單臺(tái)自行車(chē)行車(chē)、電池再生的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。更換下來(lái)的氧化鋅混合物在電解槽內(nèi)進(jìn)行回收處理，電解鋅可經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理再重新制成鋅電極。
（3）鋅空氣燃料電池
鋅空氣燃料電池的概念是依據(jù)現(xiàn)有的燃料電池提出的，基本原理與機(jī)械式“充電”相似，都是更換鋅極活性物質(zhì)。鋅空氣燃料電池是將配制好的鋅膏源源不斷地送入電池內(nèi)，同時(shí)將反應(yīng)完畢的混合物排出電池外，同時(shí)還要保證電池運(yùn)行時(shí)有足夠的氧氣供應(yīng)。這樣電動(dòng)車(chē)只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，盛放足夠的燃料便可實(shí)現(xiàn)連續(xù)行駛。然后按時(shí)更換燃料罐，取走反應(yīng)生成物即可。
鋅空氣燃料電池在基本原理上已不存在問(wèn)題，特別是在鋅膏配制攪拌方面，關(guān)鍵在于整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這種設(shè)想所存在的問(wèn)題主要是鋅膏如何輸送到電池中去，反應(yīng)完畢的生成物如何從電池中排出而又不損壞電池其他部分。由于鋅膏的黏度大，不能像氣體和液體那樣采用泵來(lái)輸送，只能采用擠壓或其他方式。鋅膏經(jīng)放電反應(yīng)后生成物的成分復(fù)雜，很難將其排出電池體外。正因?yàn)檫@些問(wèn)題很難得到解決，鋅空氣燃料電池至今一直停留在實(shí)驗(yàn)階段。