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空气电池能否驱动电动车未来

锂电中国浏览量:1973时间:2013-01-05 14:45:05

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。

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