空气电池氧化剂取自空气中的氧的化学电池

空气电池是化学电池的一种。构造原理与干电池相似，所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧。目前空气电池主要有三大类即锌空气电池、锂空气电池和铝空气电池。日本产业技术综合研究所发布消息说，来自该所和日本学术振兴会的研究人员研发出一种新型锂空气电池，这种无需充电、放电性能优越的燃料电池将来可为车辆提供动力。以锌空气电池为主要产品的中航长力联合能源科技有限公司相关负责人介绍，锌空气金属燃料电池的主要优势表现在，锌空气金属燃料电池的正极活性物质是空气中的氧气，不占用电池体积。

中文名

空气电池

外文名

Air Cell

负极

Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ

正极

0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ

总反应

2Zn+O2=2ZnO

基本介绍

化学电池的一种。构造原理与干电池相似，所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧。例如有一种空气电池，以锌为阳极，以氢氧化钠为电解液，而阴极是多孔的活性炭，因此能吸附空气中的氧以代替一般干电池中的氧化剂（二氧化锰）。

应用：未来用于海上指示灯、应急灯等

PS：在名侦探柯南“巧克力的火热陷阱”中有提到。

空气电池

工作原理

一空气电极或阴极

在空气电池中，氧被电化学还原为氢氧根离子：

反应快速发生的条件是：A.反应所需要的足够的催化剂B.有一种电子导体能提供所需的电子。反应发生在能导电的催化的电极表面上，同时与氧及电解液接触（简称三相界面）。这个过程的热力学可逆电势相对于相同电解液的氢电极为1.23伏，理论上，这个电势值应具有稳定性。实际测定的电势只达到1.00伏或1.05伏。空气电极在开路（电流等于零）时电势的损失，其原因是电极反应不按如下的直接路线进行

①而是按产生中间产物过氧根离子的另一路线进行如下

②离子又在电极表面经化学分解：

③随之氧又回到原反应②去。反应②的可逆热力学电势值为0.83伏；反应①的可逆热力学电势值为1.23伏。因此设想当反应①和反应②混合进行时，其电势值可以在两值之间某值处稳定下来，但电化学工作者对这种反应的真相和电极的电势值降低的真实原因尚无定论。

二金属电极或阳极（Zn）

金属空气电池阳极有多种，真正实用的商品电池是中性或碱性锌空气电池。锌在碱性溶液中产生氧化锌：在过量的碱中，形成可溶性的锌酸根离子：金属锌电解液接触比较稳定，电化当量较高，价格较低，供应方便。PS系列胶体碱性锌空电池重量和体积比能量分别达到300Wh/kg、600Wh/L，或更高。

三电解液

空气电极使用电解液直接与空气接触，一般采用含水的电解液，碱性和酸性电解液均有缺点，碱性电解液会被空气中的二氧化碳污染，酸性电解液会与低廉的催化剂作用使之腐蚀，同时也腐蚀空气电极集流体。实用上一般还能容许碱性电解液的缺点。也有采用近乎中性的含水电解液。

发展前景

成本低比容量大

传统锂离子电池的瓶颈，有望被金属空气电池突破。

近日，世界上第一个新型空气燃料电池“STAIR”（即“圣安德鲁斯空气”的英文首字母缩写）在英国揭开神秘面纱，这种电池的储电能力是传统电池的10倍。

日本产业技术综合研究所发布消息说，来自该所和日本学术振兴会的研究人员研发出一种新型锂空气电池，这种无需充电、放电性能优越的燃料电池将来可为车辆提供动力。

在我国，锌空气电池和铝空气电池已列入研发范围。有人认为，金属空气电池将成为21世纪理想动力源，大有代替锂电池一举称霸电池市场的态势。

破解锂电池成本、容量难题

随着纯电动汽车、燃料电池汽车被作为国家相关政策的鼓励方向，制约它产业化的电池问题越发突出。“目前大家看好的锂离子电池成本太高，容量不大。电动汽车如要突破，必须研发更理想的电池。”近日，国内某汽车企业新能源汽车研发部门相关人士对记者说。

金属空气电池（metal-airbattery)被寄予厚望。据了解，这类电池是特殊的燃料电池，是新一代绿色蓄电池，构造原理与干电池相同，所不同的只是它的去极剂取自空气中的氧。它的制造成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高、原材料可回收再生利用，与燃料电池汽车（FCHV）所用氢燃料电池相比，结构简单，价格十分便宜，并且性能优越。

国家“863”项目一位车用电池专家介绍，目前世界上有若干种金属空气电池，包括锌空气电池、铝空气电池和锂空气电池等。他告诉记者，前两种已经进入我国研发范围，与产业化最接近的只有锌空气电池。

以锌空气电池为主要产品的中航长力联合能源科技有限公司相关负责人介绍，锌空气金属燃料电池的主要优势表现在，锌空气金属燃料电池的正极活性物质是空气中的氧气，不占用电池体积。因此电池内部可以携带更多的锌，比能量更高，目前已达到每千克180瓦时，作为汽车动力电池，续驶里程长。锌空气金属燃料电池中的锌为循环使用，对环境零污染。生产电池的原材料丰富，成本低，是锂电池的五分之一。

锌空气电池受青睐

去年9月底，上海市发改委主持召开了“锌空气电池应用于城市客车研讨会”，希望上海申沃客车进一步加强与博信电池有限公司的合作沟通，尽快使锌空气电池应用于城市客车。据了解，博信公司的外方是美国博信（PowerZinc）电池公司，主要研发、制造新型锌空气动力燃料电池。

今年3月，中国航空工业集团公司宣布，与北京长力联合能源技术有限公司联合成立中航长力联合能源科技有限公司（下称“中航长力”），以及北京锌空气电池研究中心。未来3年，中航长力将斥资5亿元，推动北京市锌空气电池产业化。

据中航长力的相关负责人介绍，目前，公司推出的车用注入式锌空气电池及配套系统，配装北京理工大学研制的BFC6110EV型纯电动旅游客车，累计运行近1万公里。2007年11月，车用注入式锌空气电池列入国家“863”计划，截至目前已申请专利30余项。2009年公司的动力型机械插块式锌空气金属燃料电池被列入北京市首批20个政府采购自主创新产品目录。

中航长力得到北京市政府的大力支持。2010年，北京市安排该公司的5辆电动客车和环卫车进行运行测试，另安排50辆电动客车和电动环卫车投入市公交和环卫系统的试验运行，在北京市相关部门指定线路进行路试，为市场化运作提供可靠依据。

空气电池能否担当大任

目前，国内锌空气电池已形成“南有博信、北有长力”的格局。不过，一种看似完美的新型动力电池，为何只有几家公司投资？

汽车电池资深专家傅世枢介绍，在诸多种类的金属空气电池中只有锌空气电池得到实用，曾被以色列用于纯电动汽车，尽管近年先后被德、法、瑞典等国的汽车公司用于研制纯电动汽车，可是未修成正果。

“虽然锌空气电池自身具有比能量大、成本低的优点，但是仍没突破自身技术瓶颈。”国家“863”项目一位车用电池专家说。

天津清源电动车辆有限公司研究院院长、总工程师赵春明告诉记者，锌空气电池的致命缺陷是不可充电，属于一次性电池。“据我所知，世界上有两家有名的锌空气电池公司，一家来自美国，现在已经实现充放电500次，另外一家是欧洲Re?鄄Volt公司，其电池能充放电200次。不过与磷酸铁锂电池相比，次数还是太少了。”

据中航长力相关负责人介绍，他们使用机械插块式技术，可以实现电池的可充电性。当锌空气电池放电结束后，需要将负极板取出集中到电解还原厂还原，同时为空电池壳装入新的负极板实现电池充电，并负责为客户配送充好电的电池。

这位负责人表示，锌空气电池还有改善空间，比如现在这种电池的空气电极寿命约为300次，2~3年。装车后要根据路况和车速采用不同的电池组合，如果车速在30~40公里/小时，路况好，只需要锌空气电池就行；如果爬坡，就需要采用电电混合的形式，比如与超级电容、镍氢电池混合。

锂空气电池是理想之选

“在金属空气电池中，最有潜力的是锂空气电池。”汽车电池资深专家傅世枢接受本报记者采访时表示，金属空气电池是未来取代锂离子电池的理想之选，锂空气电池的优势最为明显。

谈起锂空气电池，傅世枢赞不绝口。据他介绍，目前，这项技术已被日本研究机构掌握，日本汽车公司对这种电池技术的兴趣浓厚。“锂离子电池驱动的电动汽车，续驶里程不过100多公里，如果换成同等大小的锂空气电池，续驶里程能够接近1000公里”。

锂空气电池不是新概念，过去名气小，原因是它存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂（Li2O）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。

2009年3月，日本产业技术综合研究所能源技术研究部门能源界面技术研究小组组长周豪慎和日本学术振兴会（JSPS）外籍特别研究员王永刚，共同开发出大容量锂空气电池，他们通过将电解液分成两种来解决上述问题。在负极（金属锂）一侧使用有机电解液，在正极（空气）一侧使用水性电解液，两者之间用固体电解质隔离，防止两种电解液混合。中间的固体电解质只有锂离子能通过。新型锂空气电池放电反应生成的固体物质不是氧化锂，而是易溶于水性电解液的氢氧化锂。这样不会引起正极的碳孔被堵塞，从而解决了以往锂空气电池固体反应生成物阻碍电解液与空气接触的问题。

此外，在实验中，研究人员分别用碱性水溶性凝胶和碱性水溶液作正极的电解液，结果发现，这种新型锂空气电池的放电性能比以往该类型电池大幅提高，特别是如果用碱性水溶液作正极电解液，使电池在空气中以0.1安培／克的放电率放电，电池可连续放电20天。

据了解，这种新型锂空气电池无需充电，只需更换正极的水性电解液，通过卡盒等方式更换负极的金属锂就可以连续使用。正极生成的氢氧化锂可以从使用过的水性电解液中回收，再提炼出金属锂，金属锂则可再次作为燃料循环使用。

在傅世枢看来，锂空气电池的优势十分明显，理论比能量为11140Wh/kg，是当代锂离子蓄电池的300倍。由于锂空气电池的负极不需要化学加工，锂空气电池也不需要化学工艺处理，制造成本仅为普通锂离子蓄电池的60%。“一旦锂空气电池实现产业化，便可推动各类电动汽车全面产业化，取代目前的锂离子蓄电池，成为新能源汽车动力源”。

据傅世枢分析，未来，不论锂离子蓄电池，还是锌空气电池、镁空气电池，都会有自己的市场。前者已大量用于手机、笔记本电脑和电动摩托车，后者用于医疗器械、水下设施等，而要作为纯电动汽车的动力电池组，可能非锂空气电池莫属。“新一代锂空气电池已解决了电池本身的各类技术难题，剩下的问题是如何加速产业化，大量生产。目前，还没听说我国有企业和机构研发这项技术。”傅世枢说。

电池研发要着眼未来

如果锂空气电池实现大规模生产，锂离子电池在电动汽车领域还有没有生存空间？答案很清楚，谁都会选择比能量更大、成本更低的锂空气电池。正如一些车用电池专家所言，中国电池技术的研发，要顾及眼下，更要着眼未来。

当前，产业化成为我国新能源汽车努力的方向。国家在财政上对购买新能源汽车的私人用户进行补贴，用心良苦。在电池研发上，主要是满足现有的产业化需求。从国内电池研发情况看，研发力量集中在传统电池上，试图通过电池技术的更新换代，提高比能量，以便增加续驶里程。

当前，令人担忧的是，传统电池技术已经遭遇瓶颈，一些悲观的人甚至断言我国新能源汽车走入死胡同。尽管事实没有那么糟糕，但是对于未来的技术储备，我们还做得不够。笔者认为，在坚持传统电池技术研发的同时，更应放眼未来。比如日本研发的锂空气电池，虽然在短时间内很难实现大规模生产，但从本身的性能看，在未来毫无疑问能够大展身手。

技术的更替日新月异，同时冷漠无情。回首科学技术发展的历史，一项新技术被更新技术淘汰的例子比比皆是。新能源汽车作为我国的新兴战略性产业，在关键零部件上，应当吸取教训，努力避免此类事情发生。在电池技术研发上，应时刻跟踪世界前沿技术，加紧技术储备，迎接未来激烈的竞争。

这位国家“863”项目车用电池专家认为，锌空气电池仅仅是电池技术中的一种，只作为示范运行可以，但不宜大规模推广。

最新研发

日本正在推进空气镁电池的大容量化研究，该电池的工作原理为通过空气中的氧气和金属镁发生化学反应产生电能。参与的机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等产业界、学界、政府方面的11个单位。作为研究的第一步，古河电池计划在年内生产出发电量为300瓦的应急电源，用于给手机等充电。

研发成果

2013年9月，美国乔治·华盛顿大学科学家展示了一种新型高能电池，称为“熔融—空气电池”，是目前储电能力最高的电池之一。这种电池与其他高能电池不同，还能再次充电。虽然该电池目前要在高温下操作，但研究人员正在进一步实验改进其性能，以期这种电池在电动车、储电电网领域更具竞争力。

多电子存储分子是在一个分子中存储多个电子，这是熔融空气电池的最大优势之一。这使它比单电子存储分子的电池，如锂离子电池储电能力更高。目前储电能力最高的电池——硼化矾（VB2）—空气电池，每个分子能存储11个电子，但VB2—空气电池及其他高能电池却不可充电。

研究人员斯图亚特·利希特解释说，熔融电解质是让电池可充电的关键。熔融电解质是高活性的，能通过一种特殊电解分裂反应来为电池“充电”。如铁熔融—空气电池放电后，铁氧混合物会生成氧化铁。充电则是把氧化铁变成金属铁，把氧气释放到空气里。

熔融—空气电池结合了高储电能力和可充电性能。用空气中的氧作阴极材料，不用任何外来催化剂或薄膜。不同电池需要不同的电解质，但都是熔融的，研究人员所展示的样本是在700℃到800℃时熔融为液态。“对电池来说高温并不常见，但这并非障碍。较低容量的高温熔融电解硫电池已经用在了电动车上，至今尚未发现缺点。”

参考资料

1.空气电池的是？·兴海县龙藏乡