锌空气电池产业化发展模式的探讨

2016-03-11王言琴徐栋哲徐献芝尹成龙

电源技术 2016年4期

关键词：铅酸动力电池产业化

王言琴，朱梅，徐栋哲，徐献芝，尹成龙

(1.安徽农业大学工学院，安徽合肥230036；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥230027)

锌空气电池产业化发展模式的探讨

王言琴1，朱梅1，徐栋哲2，徐献芝2，尹成龙1

(1.安徽农业大学工学院，安徽合肥230036；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥230027)

结合锌空气电池自身特点，探讨了锌空气电池产业化发展模式。以电动自行车上使用“电-电混合”的技术方法为市场切入点，建立了可再生的锌空气电池商业发展模式，为能源再生产业奠定基础，这种模式弥补了现有电池市场续驶里程短等缺陷，建立了换电电池商业模式，改变了电池只能充电的传统观念。

锌空气电池；可再生电池；换电模式；电-电混合

电动自行车发展至今已经全面实现商业化，目前市场上90%的电动自行车使用的是铅酸蓄电池，也有少量使用的是锂电池。但是，市场上所有类型的电池如干电池、蓄电池、扣式电池均为不可再生电池，达到使用极限的电池无法回收循环使用，均要向环境抛弃固体垃圾，污染水体[1-8]。可再生式锌空气电池恰恰能够改变电池使用后无法回收的历史，且锌空气电池具有比能量高、原材料易得且价格低等优点，能够满足用户对续驶里程的需求，面对已经占据90%以上电动自行车市场的铅酸电池、锂电池，锌空气电池想要产业化必须找到合适的市场模式[9-13]切入。本文就锌空气电池自身特点，提出锌空辅助动力的概念，即“电-电混合”供电模式。

1 锌空气电池市场模式

1.1 锌空辅助动力

以铅酸为动力电池的助力电动自行车已经实现商业化，并以其经济实用的优势受到普通大众的亲睐。但是，一组48 V 20 Ah的铅酸蓄电池平均行驶里程约为50 km，使用一年后，电池的充电容量降低，续行里程也降为30 km左右，满足不了对续驶里程有特别需求的用户。以锂电为动力的电动汽车虽然是政府主导的产业，但因没有现实市场，发展缓慢。

结合锌空气电池自身特点，使锌空气电池能够更容易切入市场，提出了锌空辅助动力的概念，即“电-电混合”，将一组12只的锌空气电池组串联，输出电压范围为9～12 V，经DC-DC升压器升压转换输出36～60 V电压，通过一个接口与铅酸电池并联，在电动自行车工作时，锌空气电池和铅酸电池一起给电动车提供动力，当电动车停驶时，锌空气电池给铅酸蓄电池充电。

它保留了原有电动车电池的充电功能，仅减少原有电池的电池容量，锌空气电池为动力源，给铅酸、锂电池辅助充电，原电池仅在供电过程中起调峰作用。这既解决了原有同等质量电池储能小的问题，同时也解决了锌空气电池峰值功率小的问题。这种市场定位能够让用户习惯从原有的充电模式逐步过渡到换电模式，并且让“电-电混合”动力模式首先在电动自行车市场进行示范，这种发展模式更容易被市场接受。

1.2 锌空辅助动力的优点

锌空辅助供电的供电模式是将原有动力电池的容量降低，只作调峰电池使用，在电池工作过程中，锌空气电池为动力源输出动力给调峰电池充电。这种“电-电混合”的动力电池解决了现有动力电池容量低、充电时间长、续驶里程短、污染严重等问题，表1是三种类型的12 V 100 Ah电池规格。

通过对同等容量和电压的三种不同种类电池性能进行对比可知，锌空气电池的成本与铅酸价格基本相同，但是电池质量却只有铅酸的四分之一，锌空气电池的成本只有锂电的五分之一。该电池采用换电的充电模式，大大降低了充电时间，解决了充电桩服务车辆少的问题，且这种混合电池的使用使调峰电池的使用寿命延长10倍以上，减少了铅酸电池因深度放电降低寿命而过早排放给环境带来的危害，锌空气电池不存在充电安全问题，所用电池材料在放电结束后均可回收、循环使用，对环境零污染、零排放。同时，锌空气电池所用材料都是价廉易得的最基本的电池材料，电池制作所用的设备也是最基本的工业设备，锌空气电池的制作工艺已经分解到最基本的流水线工艺，工作效率高。

在一些找不到充电接口的边远地区或是一些自然灾害造成的电力中断区域，配备辅助电源供电很有必要，因此，将锌空气动力电池作为辅助供电设备投放市场具有广泛的市场前景。

表1 三种12 V 100 Ah动力电池规格

1.3 辅助动力存在的市场

通过对市场上以电动车为主要出行工具的用户进行抽样调查，样本个数500，调查表明：预付电池成本押金500元，更换一次的费用是10元，一组电池7 kg，能够给电动自行车增程50 km。80%的电动车用户能够接受这个价位提供的服务，2%～5%的电动车用户对续驶里程有切实需求，并有意向购买这样的增程服务。分析表明：就合肥目前电动自行车市场保有量而言，约为200万辆，若其中的2%～5%的用户对续驶里程有需求，那么锌空气电池辅助动力服务的客户就有4～10万个，每人押金500，就有2 000～5 000万的流动资金，平均每月更换4次，每个用户一年更换50次左右，电池的更换收入又有2 000～5 000万，合肥的电动自行车有近1亿的市场。随着产品的更新换代，锌空气电池容量进一步提升，逐步减小电动车本身电池容量，锌空气电池渐渐占据主导地位，将用户的习惯逐步过渡为换电模式，锌空气电池辅助供电的市场容量也将进一步扩大。

1.4 辅助动力产业可行性

按一组电池的储存电量为1 kWh，一组电池由12节单电池组成，电池成本包括材料成本和人工劳务成本两个部分，电池材料包括金属塑料框、泡沫镍、碳粉涂料等。表2为一组锌空气电池组的相关参数。

表2 锌空气电池相关参数

批量生产后，材料成本和人工成本会进一步降低。电池经过回收再次使用，二次电池只需支付回收拆洗和重新组装的人工费，更换正常老化损坏的零部件，氧化锌的电解还原所需用电可以利用太阳能、水能、风能，或者与一些未入网的小电站合作，就地建立电解还原基地，降低二次锌电极使用成本。通过对锌空气电池产业化生产成本的估算，从工业化生产的角度验证了这种产业发展模式是可行的。

2 锌空气电池产品未来技术发展路线和前景展望

2.1 发展锌空辅助动力的意义

锌空辅助动力的提出改变了现有电池无法回收循环使用的现实问题，传统概念充电模式的电池逐步向换电模式的电池过渡，这种换电模式的电池应用于电动车市场充当“油箱”的角色。这种锌空辅助动力的服务模式首先在电动自行车上示范推行，未来应用在电动汽车、特种电池、偏远地区储能电池等方面需要明确的产品技术发展路线。

表3 锌空气电池未来技术发展的六代产品

2.2 锌空气电池产品未来技术发展路线

锌空气电池产品未来技术发展方向明确，准确地将锌空气电池的未来产品定位为六代，如表3所示。随着未来锌空气电池技术以及锌空气电池产业化进程的发展，锌空气电池由现在的“干电池”走向“燃料电池”是未来的必然发展趋势。锌空气动力汽车最终也将替代传统燃油、燃气汽车成为未来汽车的主导。

2.3 与太阳能、风能结合构建能源农场

将锌空气动力电池与太阳能、风能结合，构建能源生态农场，不仅可以解决太阳能、风能入网使用的瓶颈问题，同时还可以搭建一个生态环保的以锌空为载体的能源循环体系，整体的能量可以通过能源农场流动实现动态循环。其能源农场和具体的储能循环系统结构示意图如图1～图2所示。

图1 能源生态农场示意图

图2 储能循环系统示意图

锌空气动力电池作为储能载体将化学能用于驱动汽车行驶的电机的动能，应用这种电动汽车运输锌矿，废旧电池中的氧化锌则通过太阳能、风能电解槽系统电解还原锌，能量转换方式是将该类型新能源的能量储存于锌材料中重新用于锌空气动力电池，如此有效地结合汽车用新能源的发展与常规新能源的合理利用，以实现能源高效利用的目的。

同时锌的电解还原过程是在碱性环境下进行的，电解锌的碱液和清洗后留下的稀碱液可以蒸发析出纯碱，重新用于电解和化学反应过程中，如此可以建立一个储能循环系统，该系统对外环境零排放，整体形成一个储能生态农场。

3 总结

锌空气电池是可再生的新能源电池，采用的是更换锌电极的充电模式，本文对其市场切入模式和产业化发展模式进行探讨可知：“电-电混合”供电模式是锌空气电池产业化发展的切入点；从锌空辅助动力的优点、存在的市场、产业生产论证锌空气电池产业化发展模式的可行性；阐述了锌空辅助动力产业化发展的意义，确立了可行的产业化发展模式，开启了环保再生电池的新时代；阐述了锌空气电池未来的技术发展方向，并具体描述了未来发展步骤；结合太阳能、风能，构建以锌空气电池为载体的能源再生循环体系。

[1]COOPER A，FURAKAWA J.The ultrabattery-a new battery design for a new beginning in hybrid electric vehicle energy storage [J].Journal of Power Sources，2009(2):642-649.

[2]王文博.燃料电池的发展方向[J].高科技与产业化，2010(1)：118.

[3]徐琳，过学迅.燃料电池技术对汽车产业及世界能源格局影响的展望[J].车辆与动力技术，2009(4)：58-62.

[4]ABDULLAH M O，YUNG V C.Review and comparison study of hybrid diesel/solar/hydro/fuel cell energy schemes for a rural ICT telecenter[J].Energy，2010，35(2):639-646.

[5]CAO X X，HUANG X.A completely anoxic microbial fuel cell using a photo-biocathode for cathodic carbon dioxide reduction[J]. Energy&Environmental Science，2009，2(5):498-501.

[6]谢先宇，王潘，安浩.汽车用动力锂离子电池发展现状[J].上海汽车，2010(1)：21-25.

[7]陈立泉.锂离子电池：从基础研究到产业[J].新材料产业，2009 (10)：89-91.

[8]LEE J，NAM O.Li-ion battery SOC estimation method based on the reduced order extended Kalman filtering[J].Journal of Power Sources，2007(1):9-15.

[9]朱梅，徐献芝.电动自行车的合理格局[J].电动自行车，2010(1)：48-49.

[10]朱梅，徐献芝，宋辉，等.锌空气电池在电动自行车上的应用前景[J].电池工业，2007(6)：397-399.

[11]朱梅，徐献芝，杨基明.电动自行车用锌空气动力电池[J].中国工程科学，2006(11)：99-102.

[12]宋永华，阳岳希，胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].电网技术，2011，35(4)：1-6.

[13]周龙瑞，马洪涛，赵文超.电动自行车用动力铅酸蓄电池的昨天、今天和明天[J].中国自行车，2012(8)：40-45.

[14]张华甲.锌氧燃料电池：储能新希望[J].装备制造，2009(7)：64-66.

Investigation of industry development model on zinc-air battery

Combined with the characteristics of zinc-air battery，the zinc-air battery industry development model was discussed.With the electric bike"electric-electric hybrid"technology approach as market entry point，a zinc-air battery renewable business development model was established， laying the foundation for the renewable energy industry.This model makes up the advantage of short trip mileage in the existing battery market， establishes a business model for changing electric batteries，and changes the traditional concept of battery charging.

zinc-air batteries;renewable battery;changing battery mode;electricity-electric hybrid

TM 911.41

1002-087 X(2016)04-0921-03