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金屬空氣電池不如釩電池當(dāng)紅，也不像鋰電池那么耳熟能詳，提起它，人們甚至還會(huì)有些陌生。

但金屬空氣電池已展露的冰山一角之下，卻隱藏著巨大的潛力，有人稱它“一旦商業(yè)化，足以驚艷四座。”
以空氣電極作正極，以金屬電極作負(fù)極，負(fù)極活潑金屬提供的電子通過(guò)外電路傳輸?shù)秸龢O與空氣中的氧氣結(jié)合，從而形成導(dǎo)電通路——以此，便構(gòu)成了金屬空氣電池。

作為一種新型電池，金屬空氣電池具有許多電池所不具備的優(yōu)勢(shì)。


經(jīng)粗略計(jì)算，即使將全球儲(chǔ)存的鋰資源全部開采加工成鋰電池，其能存儲(chǔ)的總電量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠全球一天的用電量。而空氣電池不僅僅可以鋰、鋅等元素作為電池的負(fù)極材料，地殼中含量極高的鐵、鋁、鎂等亦是其負(fù)極材料的主流選擇。因此，金屬空氣電池最大優(yōu)勢(shì)的在于其電極材料儲(chǔ)量豐富且廉價(jià)易得。

另外，與傳統(tǒng)的離子電池不同，金屬空氣電池正極反應(yīng)物氧氣直接來(lái)源于周圍環(huán)境，并具有很高的理論能量密度，因此金屬空氣電池的蓄電量特別高。其理論電量是鋰電池的6～10倍，實(shí)際蓄電量可達(dá)鋰電池的3倍。若用作汽車動(dòng)力電池，則有望實(shí)現(xiàn)1000km以上的超長(zhǎng)續(xù)航。

除此之外，金屬空氣電池使用水溶液作為電解液，沒有易燃易爆成分，不存在燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，較為安全。

根據(jù)負(fù)極充電特性不同，金屬空氣電池分為二次電池（鋅空氣電池）和一次電池（鎂空氣電池、鋁空氣電池），都結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，無(wú)需專人維護(hù)，其制造、使用、回收等流程均無(wú)有害物質(zhì)釋出。

當(dāng)前金屬空氣電池商業(yè)化還處于早期階段，有的技術(shù)已經(jīng)具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件，有的還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。目前已取得研究進(jìn)展的金屬空氣電池包括鋅空氣電池、鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋰空氣電池等。

作為金屬空氣電池之一，美國(guó)麻省理工學(xué)院的報(bào)告認(rèn)為，鋅空氣電池是目前發(fā)展最成熟的空氣電池。

鋅空氣電池已經(jīng)或即將應(yīng)用在新能源汽車與供電系統(tǒng)中，安裝成本預(yù)計(jì)不到鋰電池的1/4。

極低的材料成本、高能量密度、電池設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單以及安全性良好，讓以鋅空氣電池為主的金屬空氣電池前景光明。
鋅空氣電池出現(xiàn)至今已有百年之久，其發(fā)展歷程可以追溯到19世紀(jì)60年代。

1868年，勒克朗謝發(fā)現(xiàn)了鋅空氣電池的工作原理，他注意到，當(dāng)電解液的體積只占盛裝電池體積的一半時(shí)，上部的二氧化錳/碳混合物未浸泡在電解液中，由于空氣中的氧氣在潮濕部分發(fā)生還原反應(yīng)，電池的性能得到提高。


1878年，Maiche使用中性氯化銨水溶液做電解液，發(fā)明了首個(gè)鋅空氣電池；1932年，Heise和Schumadcher實(shí)現(xiàn)了中性鋅空氣電池的商業(yè)化；1967年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開始研究鋅空氣電池，用于航天器和宇航員的應(yīng)用；1972年，Eveready Battery Company（現(xiàn)在的埃尼瓦爾特能源公司）推出了第一款商業(yè)化的鋅空氣電池。

與堿性電解液不同的是，中性氯化銨電解液不會(huì)與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鹽。Jindra等人在1973年研究了氯化銨水系中性電解液在鋅空氣電池中的應(yīng)用。


然而，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制和市場(chǎng)需求不高，鋅空氣電池并沒有取得廣泛的商業(yè)成功。

進(jìn)入21世紀(jì)后，鋰離子電池仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車和規(guī)模儲(chǔ)能需求的日益增加使得鋰離子電池一直處于發(fā)展的黃金期。然而，隨著電池技術(shù)的不斷突破，鋰離子電池的“阿喀琉斯之踵”也漸漸浮現(xiàn)。

一方面，鋰離子電池的實(shí)際能量密度正逐步接近其理論上限；另一方面，近年來(lái)發(fā)生的電池自燃事故逐漸引發(fā)了人們對(duì)鋰離子電池安全性能的憂慮。此外，對(duì)鋰鈷資源的嚴(yán)重依賴、電解液毒性帶來(lái)的后處理問(wèn)題等也正一步步走向現(xiàn)實(shí)。人們很快意識(shí)到，必須開發(fā)鋰離子電池的替代品以應(yīng)對(duì)這些潛在的問(wèn)題。為此，探索具有高理論能量密度、固有安全性和環(huán)境友好性的儲(chǔ)能系統(tǒng)變得極為緊迫。

在眾多電化學(xué)儲(chǔ)能體系中，鋅空氣電池再次體現(xiàn)出了理論優(yōu)勢(shì)，開始在一些特定領(lǐng)域得到商業(yè)應(yīng)用。

2011年，我國(guó)首個(gè)鋅空氣電動(dòng)公交車正式下線，該類型純電動(dòng)城市公交車?yán)m(xù)駛里程達(dá)300公里，最高時(shí)速可達(dá)80公里/小時(shí)，其運(yùn)營(yíng)成本比傳統(tǒng)鋰電池電動(dòng)汽車低1/3。

2015年，天津九能京通公司的鋅空氣燃料電池項(xiàng)目被列為天津市重大工業(yè)項(xiàng)目并通過(guò)國(guó)家863動(dòng)力電池測(cè)試中心產(chǎn)品檢測(cè)鑒定，形成了年產(chǎn)5萬(wàn)組新能源汽車用鋅空氣燃料電池組的生產(chǎn)能力，目前已投入商業(yè)化運(yùn)行。

美國(guó)企業(yè)Eos Energy Storage與另一家美國(guó)企業(yè)EnerSmart在2021年簽署2000萬(wàn)美元訂單，主要內(nèi)容為在加利福尼亞州安裝10個(gè)鋅空氣電池儲(chǔ)電設(shè)備，每個(gè)項(xiàng)目3兆瓦，可為2000戶家庭供能。
電池技術(shù)在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能中起著至關(guān)重要的作用，作為當(dāng)前最主流的液流電池技術(shù)，全釩液流電池由于其高安全性以及可以功率與能量解耦，被認(rèn)為是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)非常有力的競(jìng)爭(zhēng)者。不過(guò)，盡管技術(shù)上很有前途，但昂貴的釩電解液大大提高了初裝成本，阻礙了其廣泛部署。

而鋅空氣電池憑借其獨(dú)特的半開放式結(jié)構(gòu)和無(wú)限的環(huán)境空氣供應(yīng)，在鋅足量的情況下，它可以按天甚至以月度或季節(jié)性連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，豐富且廉價(jià)的鋅資源保證了電池的低成本，水系電解液確保了電池固有的安全性。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，鋅空氣電池是非常適合長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的技術(shù)。

近年來(lái)，多國(guó)企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)陸續(xù)在催化劑、充放電技術(shù)等方面取得進(jìn)步，鋅空氣電池商業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，尤其是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用。

加拿大鋅空氣電池開發(fā)商Zinc8 Energy Solutions在2022年宣布其獨(dú)立研發(fā)的鋅空氣電池將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化第一步：為紐約市新建一個(gè)1.5兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能設(shè)施，結(jié)合其獨(dú)立研發(fā)的鋅空氣電池和現(xiàn)有太陽(yáng)能發(fā)電，為當(dāng)?shù)毓枪╇姟?br />
今年年初，Zinc8 Energy Solutions宣布稱，Empire State Development批準(zhǔn)了一筆高達(dá)900萬(wàn)美元的撥款，以激勵(lì)該公司在紐約州選址建立其在美國(guó)的第一個(gè)鋅空氣電池生產(chǎn)基地。

據(jù)了解，Zinc8公司的鋅空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供20kW~50MW范圍內(nèi)的輸出功率，具有8小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)。利用可充電鋅空氣電池技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)可以配置為支持微網(wǎng)和公用事業(yè)范圍內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用。

此外，比利時(shí)另一家初創(chuàng)公司AZA Battery也在推進(jìn)鋅空氣電池規(guī)?；邪l(fā)生產(chǎn)。最新報(bào)道稱，該公司將于2023年初開始試生產(chǎn)“空氣電池”，目標(biāo)是于2026年開始量產(chǎn)，2027年實(shí)現(xiàn)1200兆瓦時(shí)的年產(chǎn)量。據(jù)該公司介紹，制造成本為25～35美元/千瓦時(shí)，比鉛酸電池便宜很多。

然而，盡管鋅空氣電池非常有前途，其在廣泛應(yīng)用之前還有一些需要解決的挑戰(zhàn)。如鋅空氣電池同其余大部分鋅液流電池一樣，也面臨著鋅枝晶的問(wèn)題。同時(shí)，其還面臨著電流密度低、氧析出氧還原雙效催化劑開發(fā)不全面的問(wèn)題。這些問(wèn)題阻礙了鋅空氣電池在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能中的廣泛應(yīng)用。

總體而言，鋅空氣電池經(jīng)歷了多年的研究和改進(jìn)，目前正處于商業(yè)化的早期階段，技術(shù)性能和成本降低還需要進(jìn)一步研究。有國(guó)際機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2028年，金屬空氣電池市場(chǎng)價(jià)值或?qū)⑦_(dá)到11.73億美元。

未來(lái)鋅空氣電池能否在愈加火熱的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)占據(jù)一席之地，還很難說(shuō)，不過(guò)，在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能成為新風(fēng)口的當(dāng)下，我們更愿意看到各類長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)在競(jìng)爭(zhēng)中獲得更好的發(fā)展。

原標(biāo)題：鋅空氣電池是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的好方向嗎？