空气电池离我们还有多远？

徐楠

近年来，以空气电池为代表的下一代动力电池产品被认为是未来替代锂离子动力电池的最终解决方案。在铝、镁、锌、锂等空气电池技术研发方面，我国也已取得一定进展。对于空气电池的研发及商业化，目前制约其发展的主要因素包括：部分关键技术尚未突破，比功率性能存在不足，催化剂关键材料成本居高不下。

空气动力电池研发取得新进展

我国目前在铝、镁、锌、锂等空气电池技术研发方面已取得一定进展。在新能源汽车产业快速发展的关键时期，我国既要提升发展技术相对成熟的锂离子动力电池，也应加快对金属空气动力电池等下一代电池技术的研发、储备及应用，抢占行业发展制高点，建立新能源汽车的多类型动力电池供应体系。

（一）空气电池在续航里程上具有明显优势

所谓空气电池，是指以金属为燃料，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。它具有原料易得、能量密度高、轻便、安全环保等优点。在空气电池中，负极材料用来发生反应的金属有铝、镁、锌、锂等，正极材料则为空气中的氧气，电池的电解液采用碱性水溶液，同时需要利用催化剂来吸附、固定和还原空气中的氧气。

空气电池在续航里程及原材料获取上具有明显优势。首先，开发新型材料体系是进一步提高动力电池能量密度的主要思路。比能量是代表动力电池材料续航里程性能的有效指标，目前锂离子动力电池组产品的比能量普遍在180Wh/kg以下，2020年我国规划动力电池的单体比能量将达到300Wh/kg。在目前能够规模应用的空气电池中，铝空气电池产品的比能量约为300-400Wh/kg，锌空气电池的比能量约为250-350h/kg，镁空气电池和锂空气电池的比能量可达锂离子动力电池的10倍，正成为解决动力电池续航里程不足的有效方案。

其次，供制作空气电池选用的金属原材料比较丰富，氧气更是取之不尽。空气电池产生电能消耗金属材料、氧气和水，工作过程不产生有毒有害气体，生成的氧化物也可以电解再生。出于安全性考虑，空气电池的产业化需要较长的验证时间。

目前已取得一定研究进展的主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池四类。其中，锂空气电池仍处于实验室阶段，离实现商业化尚需要10年左右的时间，其余电池产品基本具备小规模生产的技术条件，有的甚至已经应用于电动汽车并取得良好效果。

（二）主要国家研发应用不断取得新突破

目前，美国、以色列、日本和我国都在大力开发空气电池作为汽车动力电源，重点是提高金属的利用率、降低空气电极的催化剂成本及增加循环寿命。

在铝空气电池方面，2014年以色列Phinergy公司和美国铝业公司合作研發的比能量为300Wh/kg、重量仅为100kg的铝空气电池组，搭载雪铁龙C1电动汽车，续航里程可以达到1600km；中国船舶重工集团动力股份有限公司与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汽车上推广铝空气电池。

在镁空气电池方面，日本Agua Power公司成功开发制造和商业化镁空气电池，现已注册专利16个；我国宁波材料所动力锂电池工程实验室成功研制出了1000Wh的镁空气电池样机。

在锌空气电池方面，加拿大滑铁卢大学陈忠伟博士及其团队的研究取得了明显进展。在我国，“车用锌空气电池项目”被列入国家863重大科技专项之一，产品将主要应用于500 辆纯电动公交车。

在锂空气电池方面，美国IBM正在进行锂空气电池Battery 500项目研究，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，计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。

我国中科院通过抑制锂空气电池电解质分解，调控空气电极固-液-气三相界面以及优化锂空二次电池体系与结构，成功解决了目前锂空气电池循环寿命短的问题，将锂空气电池循环寿命从目前的最长100次大幅提高至500次，并首次研制出锂空气电池的实际单体。

空气电池作为汽车动力电池使用存在不足

（一） 部分关键技术尚未突破

空气电池虽然拥有诸多优点，但作为汽车动力电池应用时，在部分关键技术上还存在不足。

比如，锌空气电池在充电时，负极易形成枝状结晶造成电池内部短路，从而缩短电池的充放电寿命，因此对锌空气电池的应用研究主要集中在如何通过“换电”方式来为车辆补充电能方面。

铝空气电池在使用中，会因充电电压较高在电池内部产生电解水反应，导致电池的充放电性能下降。因此，对铝空气电池的应用研究和锌空气电池一样，也集中在“换电”方式上。

镁空气电池因受镁合金负极难以成型及耐腐蚀性差等因素的制约，在一定程度上也影响了镁空气电池作为汽车动力电池的应用。

锂空气电池在充电过程中，还原反应生成的金属锂会与空气中的水蒸气发生反应，产生氢气导致爆炸事故，因此，如何隔绝锂与空气的接触，成为了锂空气电池突破的主攻方向。

（二）比功率性能存在不足

空气电池虽然在比能量方面具有显著优势，但代表动力电池动力性能指标的比功率却仅为105W/kg，与锂离子动力电池250-450W/kg的比功率有较大差距。

以目前技术能力，如需获得与锂离子动力电池同样的比功率，空气电池组的重量大约是锂离子电池组的4-5倍。因此，目前作为汽车动力电池应用的空气电池，采用的是与锂离子电池配合使用的解决方案，多充当锂离子电池的辅助蓄能电池。利用空气电池相对较低的放电功率，给锂电池缓慢充电，将空气电池高能量密度的特性与锂离子电池较高的放电功率巧妙结合，从而实现续航里程的提高。

（ 三 ）催化剂关键材料成本居高不下

在空气电池中，ORR催化剂直接决定着电转化效率、电池成本和寿命。传统的ORR催化剂主要是贵金属及其合金，但因储量有限、成本过高，制约了空气电池在电动汽车等领域的广泛应用，因此，寻找高性价比的氧还原催化剂是开发空气电池的关键难题，国内外科研机构进行了积极探索，为新型催化剂材料的应用提出了新思路。

四点建议

（一）大力推进对空气电池关键技术及材料的研究

发展空气电池是抢占全球汽车动力电池技术制高点的重要举措，我国应抓住新能源汽車快速发展的有利机遇，集中利用有关资源，加快布局空气电池产业共性关键技术和材料的基础研究。

在铝空气电池方面，应重点突破铝合金电极和银基催化剂等关键材料、高利用率铝合金电极生产工艺技术和成组铝空气电池组电极快速更换技术等关键技术。在镁空气电池方面，应重点开发高活性、低腐蚀速率的镁合金材料，以及镁的加工成型方式。在催化剂关键材料方面，如何开发高效低成本的新型氧化还原催化剂、降低氧化还原剂对正极材料的腐蚀也应是未来研究的重要方向。

（二） 加快建设空气电池创新研究院和产业联盟

积极引导企业、高校、科研院所，建立机制灵活、互惠高效的空气电池产业技术创新研究院和产业联盟，使之成为推动产业发展的强大引擎。以空气电池工程化应用研究为要务，以推动产业化应用为目的，发挥市场竞争和市场调节的作用，以市场化运营模式加大对空气电池核心技术、多类型电池混合电源管理系统、动力电池模块等关键零部件，以及相关产品和标准的研发投入和协同创新，引导和鼓励产学研用各方共同推进合作模式创新，完善成果分摊和利益共享机制，逐步构建稳固的空气电池发展基础。

（三） 加大政府财政支持及科研投入力度

开展试点政府技术采购，持续推动包括金属空气动力电池在内的汽车动力电池等关键零部件和核心技术的进步，提高整体创新能力和竞争力。加大政府财政支持力度，比如，应加强产业发展专项资金、创新创业投资基金等对空气电池的支持。充分发挥风险基金等各类金融主体的作用，鼓励社会资本投向金属空气创新型企业和科技项目攻关。

（四） 积极开展与国际企业及机构的技术研发合作

鼓励国内空气电池科研机构及企业积极开展国际合作，依托我国巨大的市场需求优势，与拥有先进金属空气动力电池技术的企业开展合作，成立合资企业或引进先进技术，充分利用合资合作产生的技术外溢效应，带动我国金属空气动力电池的自主创新发展。

鼓励有条件的企业实施“走出去”战略，支持企业通过海外并购获取金属空气动力电池核心技术，吸纳全球专业化高端人才，重点建设一批空气电池国际联合实验室、国际科技合作基地和院士工作站。