空气电池将成“终极蓄电池”？，多家企业竞相研制

当前，锂离子电池以其成熟的供应链体系占据储能市场绝对份额，但由于其高昂的价格以及对稀有金属的大量开采、消耗，促使人们去探索其他技术路线。近年来，被称为“终极蓄电池”的“空气电池”研发在美国、欧洲、日本等地获得多项技术突破，有望成为能源行业下一代解决方案。

近年来，被称为“终极蓄电池”的“空气电池”研发在美国、欧洲、日本等地获得多项技术突破，有望成为能源行业下一代解决方案。


当前，锂离子电池以其成熟的供应链体系占据储能市场绝对份额，但由于其高昂的价格以及对稀有金属的大量开采、消耗，促使人们去探索其他技术路线。近年来，被称为“终极蓄电池”的“空气电池”研发在美国、欧洲、日本等地获得多项技术突破，有望成为能源行业下一代解决方案。


1、锌空气电池商业化进程加快


麻省理工学院上述报告认为，锌空气电池是目前发展最成熟的“空气电池”，其最早于1932年第一次用在助听器上。近年来，多国企业和科研团队陆续在催化剂、充放电技术等方面取得进步，在美国各州推出的各项促进清洁能源发展政策的推动下，锌空气电池商业化进程进一步加快，尤其是长时储能应用。


7月上旬，加拿大初创企业锌8能源解决方案公司宣布其独立研发的锌空气电池将实现商业化第一步。该企业考虑在纽约市新建一个1.5兆瓦时的储能设施，结合其独立研发的锌空气电池和现有太阳能发电，为当地公寓楼供电。

据悉，该项目预计于今年秋季启动，将成为锌8能源解决方案公司第一个主要生产设施。目标安装成本约为45美元/千瓦时，不到锂离子电池200美元/千瓦时的1/4。


早在2021年1月，美国企业Eos Energy Storage宣布与另一家美国企业EnerSmart签署2000万美元订单，将在加利福尼亚州安装10个锌电池储电设备，每个项目3兆瓦，能为2000户家庭供能。2020年底，该公司还宣布在得克萨斯州和加利福尼亚州启动另一项锌空气电池储能项目，储能规模为1兆瓦时，投资额超2.5亿美元。


另外，比利时另一家初创公司AZA Battery也在推进锌空气电池规模化研发生产。最新报道称，该公司将于2023年初开始试生产“空气电池”，目标是于2026年开始量产，2027年实现1200兆瓦时的年产量。据该公司介绍，制造成本为25～35美元/千瓦时，比铅酸电池便宜很多。


除了企业在锌空气电池商业化方面的努力，科研人员正不断改进锌空气电池的性能。印度马德拉斯理工学院研究人员正在开发可机械充电的锌空气电池，来替代电动汽车中使用的锂离子电池。


《科学》杂志刊登德国明斯特大学，中国复旦大学、武汉科技大学，美国马里兰大学和美国陆军研究实验室等多团队的合作成果表明，一种由防水离子组成的新电解质可提高电池效率。对传统锌电池来说，强碱性电解液带来的高腐蚀性经常会损坏电池，而让防水离子粘附在空气阴极上能克服这个问题，提高使用效率。据介绍，该锌空气电池可以稳定运行1600个小时。


2、铁空气电池攻克反复充电技术


研究表明，铁空气电池在固定式储能系统上的应用值得期待。今年初，麻省理工学院蒋业明（Yet-Ming Chiang）教授所在团队与美国初创企业福姆能源公司合作，在铁空气电池技术上取得了重大突破。


相较于锂离子电池，“空气电池”的充放电过程更加棘手——金属空气电池难以实现多次循环充放电，大多数情况是一次性的。上述团队发明了一种“逆生锈”技术，使铁空气电池可反复充电从而有效储存、释放能源，这解决了长期阻碍“空气电池”发展的充放电困难问题。

而且，福姆能源公司也在同步推动铁空气电池的商业化。该公司今年2月宣布，向佐治亚州的电力公司提供容量为1500兆瓦时的电力储存设施用于可再生能源储电，相当于美国约4.5万户普通家庭一天所用电量。福姆能源公司此前还与明尼苏达州的电力公司合作建立了150兆瓦时的储能设施。


据称，该铁空气电池量产时的制造成本最终将达20美元/千瓦时，不到锂离子电池的1/10。此外，由于所用的电解质具有不燃性，这种电池的安全性较高。


根据美国卡内基-梅隆大学2021年8月发布的制造成本估算数据，铁空气电池成本约为25美元/千瓦时。这种电池在正极等方面还有进一步降低成本的空间，在固定式储能方面有发展前途。


另外，位于京都府精华町的日本初创公司科尼克斯系统公司正在研发一种新型铁空气电池，拟结合氢氧燃料电池的技术。公司设想将材料成本降至常规成本的1/10以下，目标是于2025年发售，用于可再生能源储电等领域。


不过，金属空气电池的能量密度尚不及锂离子电池，即每单位电池质量储存的能量更少。蒋业明教授表示，锂离子电池的能量密度可达100瓦时/千克，而铁空气电池只有40瓦时/千克，这也是当前电动汽车不能使用铁空气电池等金属空气电池的主要原因。


3、多家企业竞相研制


空气电池的这些优点让很多企业竞相投入。据《日本经济新闻》报道，今年2月，美国福姆能源公司宣布，将向佐治亚州的电力公司提供其独立研发的由铁和氧驱动的铁空气电池。


福姆能源公司称，这款铁空气电池能储存电力100小时以上，量产时的制造成本将不足每千瓦时20美元，不到锂离子电池制造成本的1/10。且由于使用不能燃烧的电解质，这种电池安全性很高。美国卡内基梅隆大学2021年8月发布的制造成本估算数据也显示，铁空气电池成本约为每千瓦时25美元。


无独有偶，日本初创公司科尼克斯系统公司也在研发一种结合氢氧燃料电池技术的新型铁空气电池。公司设想将材料成本降至常规成本的1/10以下，拟于2025年发售，用于可再生能源储电领域。


加拿大初创企业锌8能源解决方案公司则另辟蹊径，正在研发使用锌材料的锌空气电池。据称，锌空气电池的容量往往高于铁空气电池，该公司的制造成本为每千瓦时45美元，不到锂离子电池的1/4。该公司将于2022年秋季开始，在纽约市建造一个1.5兆瓦时的设施，为公寓楼供电。


日本FDK公司正在研发氢空气电池，这种电池负极使用储氢合金，通过让氢与从正极吸入的氧发生反应产生电能。由于电解液不具有可燃性，电池的安全性较高。公司计划2023年向电力公司等机构提供样品。此外，从重量来说，主要材料采用树脂的全树脂电池也颇具前景——日本APB公司开发的新型锂空气电池比同类锂电池轻20%，计划向无人潜水艇供电。


4、技术难题有待攻克


尽管科学家们正在研制多款空气电池，但其要想真正“大显身手”，仍有不少技术难题有待攻克。


首先，氧很难从氧化物团中分离出来，金属锂则有很高的起火和产热风险，使用锂的空气电池在使用过程中负极会变形，容易引起短路。韩国三星电子集团和蔚山科学技术院为了减少电池中氧气通过区域的老化，用有机材料代替陶瓷，由此充放电的次数从不到10次增加到了100次，虽然仍达不到锂离子电池的4000次充放电次数，但已算不小的进步。


此外，铁空气电池等并不能完全代替锂电池，因为它们太重太大，并不能用在手机、电脑和新能源汽车上。不过，科学家们表示，更轻的空气电池的研发正在取得进展，其应用范围也将进一步扩大。


5、“终极电池”走向实用


使用锂的空气电池在使用过程中负极会变形，容易引起短路。因此，韩国企业也将探索使用其他元素、容量少但容易制造的空气电池。


美国的电池初创企业福姆能源公司（Form Energy）计划研制用铁和氧驱动的铁空气电池，用于储存使用可再生能源制造的电力。


如果飞行汽车是电动的，它将不需要燃烧燃料，但是依靠电池到底能不能飞行还是个问题。要想浮在空中，既要解决电池没电的困扰，又要把电池做得轻到极致。


单从重量来说，主要材料采用树脂的“全树脂电池”也颇具前景。APB公司开发的新型锂电池比同类锂电池轻20%，将面向无人潜水艇供货。虽然有观点认为很难增加电池容量，但堀江指出，“如果在电极原料等方面下功夫，也可以用于飞行汽车”。


在电池的世界里，使用空气中氧的空气电池的出现，可以说类似于利用太阳光进行光合作用的微生物给地球带来大量氧气。在氧的作用下，人类在18世纪的工业革命以后，燃烧大量的煤炭、石油、天然气，创造了丰富的生活。但现在为了不燃烧化石燃料，人类又将氧气用于电池。正因为需要在想法上做出大的转变，被寄予厚望的空气电池开发还面临一些困难。


6、金属之外，“空气电池”似乎还有更多可能性。


日本FDK公司成功实现了氢空气电池充放电，主要是利用混合动力车等使用的镍氢电池结构，将使用镍的正极换成氧气，加入主要成分为钌的微粒子作为催化剂。如果增加所连接的电池数量，从理论上讲就会超过锂电池的容量。即使进行500次充放电，性能下降率也不到10%。如果是用于储存可再生能源电力，预计可使用10年左右。而且，由于电解液有机溶剂不具备可燃性，该电池的安全系数较高。


据了解，该公司正在进行氢空气电池实证试验，目标是2023年向电力公司等提供样品。另外，公司还在研发将含有价格较高的钌的正极催化剂用量减半等技术。


据国际市场咨询公司Market Research预计，2021年，全球金属空气电池市场价值约为4.66亿美元，主要用于提供储能解决方案。到2028年，该市场价值将达到11.73亿美元，2021～2028年预测期内的复合增长率为13.2%。


不过就目前而言，“空气电池”商业化仍处于早期阶段，行业下半场发展期待出现新的技术突破。