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空氣電池研發(fā)駛入快車道

科技日報發(fā)布時間:2022-07-21 09:40:11

  用空氣制造的終極蓄電池有望在不久的將來出現(xiàn)。這種電池不需要傳統(tǒng)的電極,重量是現(xiàn)有鋰電池的1/5?!度毡窘洕侣劇吩诮盏膱蟮乐兄赋?,全世界多個國家和多家企業(yè)正積極推進空氣電池研發(fā),期待能借此實現(xiàn)盡快脫碳的目標。這種電池目前主要用于風能等可再生能源儲電,隨著研發(fā)技術不斷取得進展,其應用范圍也將進一步擴大。

  空氣電池優(yōu)點多多

  空氣電池是新一代蓄電池,其正極材料可以吸收空氣中的氧,負極使用金屬(如鋰)等材料。放電時,金屬離子從負極向正極移動,與從空氣中吸收的氧發(fā)生反應而產生電;在充電過程中,金屬離子與氧分離并從正極移動到負極。

  由于負極使用的材料主要是便宜的鐵(銹)和鋅,所以制造成本低,而正極幾乎不需要容積,這就使得電池不僅重量輕,而且鋰含量高,可以增加蓄電容量。

  由于不能做得很小,空氣電池大多用在容易確保較大安裝空間的地方,如風能和太陽能等可再生能源儲電,以推進脫碳。聯(lián)合國秘書長安東尼奧·古特雷斯曾表示,為了能在21世紀中葉實現(xiàn)碳中和,大約到2030年太陽能和風能的存量需要增加1倍,因此,非常需要一種能更長期、更大量存儲清潔能源的技術,空氣電池被寄予厚望。

  此外,空氣電池的電極材料價格便宜,制造成本有可能降到鋰離子電池的1/10以下。斯坦福大學土木與環(huán)境工程教授馬克·雅各布森指出,鋰離子電池的成本為每千瓦時100—200美元。

  斯坦福大學商學院教授斯特凡·雷切爾斯坦則表示:“如果鐵可以替代鈷、鎳和鋰等昂貴的貴金屬,那么空氣電池有明顯的經濟潛力。”

  多家企業(yè)競相研制

  空氣電池的這些優(yōu)點讓很多企業(yè)競相投入。據《日本經濟新聞》報道,今年2月,美國福姆能源公司宣布,將向佐治亞州的電力公司提供其獨立研發(fā)的由鐵和氧驅動的“鐵空氣電池”。

  福姆能源公司稱,這款鐵空氣電池能儲存電力100小時以上,量產時的制造成本將不足每千瓦時20美元,不到鋰離子電池制造成本的1/10。且由于使用不能燃燒的電解質,這種電池安全性很高。美國卡內基-梅隆大學2021年8月發(fā)布的制造成本估算數(shù)據也顯示,鐵空氣電池成本約為每千瓦時25美元。

  比爾·蓋茨也在自己的博客中寫道,(福姆能源)正在“創(chuàng)造一種新型電池,能以比鋰離子電池更低的成本長時間儲電”。

  無獨有偶,日本初創(chuàng)公司科尼克斯系統(tǒng)公司也在研發(fā)一種結合氫氧燃料電池技術的新型鐵空氣電池。公司設想將材料成本降至常規(guī)成本的1/10以下,擬于2025年發(fā)售,用于可再生能源儲電領域。

  加拿大初創(chuàng)企業(yè)鋅8能源解決方案公司則另辟蹊徑,正在研發(fā)使用鋅材料的“鋅空氣電池”。據稱,鋅空氣電池的容量往往高于鐵空氣電池,該公司的制造成本為每千瓦時45美元,不到鋰離子電池的1/4。該公司將于2022年秋季開始,在紐約市建造一個1.5兆瓦時的設施,為公寓樓供電。

  據《日本經濟新聞》報道,日本FDK公司正在研發(fā)“氫空氣電池”,這種電池負極使用儲氫合金,通過讓氫與從正極吸入的氧發(fā)生反應產生電能。由于電解液不具有可燃性,電池的安全性較高。公司計劃2023年向電力公司等機構提供樣品。

  此外,從重量來說,主要材料采用樹脂的“全樹脂電池”也頗具前景——日本APB公司開發(fā)的新型“鋰空氣電池”比同類鋰電池輕20%,計劃向無人潛水艇供電。

  技術難題有待攻克

  盡管科學家們正在研制多款空氣電池,但其要想真正“大顯身手”,仍有不少技術難題有待攻克。

  首先,氧很難從氧化物團中分離出來,金屬鋰則有很高的起火和產熱風險,使用鋰的空氣電池在使用過程中負極會變形,容易引起短路。韓國三星電子集團和蔚山科學技術院為了減少電池中氧氣通過區(qū)域的老化,用有機材料代替陶瓷,由此充放電的次數(shù)從不到10次增加到了100次,雖然仍達不到鋰離子電池的4000次充放電次數(shù),但已算不小的進步。

  此外,鐵空氣電池等并不能完全代替鋰電池,因為它們太重太大,并不能用在手機、電腦和新能源汽車上。不過,科學家們表示,更輕的空氣電池的研發(fā)正在取得進展,其應用范圍也將進一步擴大。

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