锌空气电池的特点_锌空气电池发展现状

　　什么是锌空气电池

　　锌空气电池是一类特殊的燃料电池，正极利用空气中的氧，负极采用金属锌，电解液采用水溶性电解液，已有100多年的发展历史。主要产品类型分为锌空气一次电池和锌空气二次电池，一次电池常应用于路灯中，可再充式锌空气二次电池因大规模储能的兴起率先在美国产业界引起重视。

　　可直接再充式锌空气二次电池在运行过程中金属锌电极发生溶解或沉积，放电产物溶解在碱性电解液中；空气中的氧气在负载双功能电催化剂的空气电极中，进行氧还原（ORR）或氧析出（OER）电化学反应，完成电能与化学能相互可逆转换。锌空气电池化学方程式如下：

　　负极：Zn+2OH–→ZnO+H2O+2e–

　　正极：O2+2H2O+4e–→4OH–

　　总反应：2Zn+O2→2ZnO

　　锌空气电池特点

　　（1）低成本特性：原材料负极锌、正极空气、水基碱性电解液都足够廉价。成本多产生在空气电极催化剂，相比氢燃料电池催化剂，锌空气空气电极催化剂服役在碱性电解质中，催化剂种类选择极其广阔。美国EOSEnergyStorage公司公开信息显示，250kW/1MWh系统系统全寿命周期成本为212$/kWh（约1450元/kWh），与铅炭电池系统成本相当。

　　（2）高能量特性：该电池正极使用空气中的氧气作为活性物质，容量无限，电池比能量取决于负极容量，可达到350-500Wh/kg；

　　（3）高安全性：不易燃水电解质、运输时无危险、不含有毒物质。此外，锌空气电池还兼具环保、可以灵活定制等特点，可以打破多个蓄电池市场的现有竞争格局，是一项非常有市场竞争力和广阔市场空间的技术。

　　锌空气电池发展现状

　　1.锌空气一次电池研究现状

　　锌空气电池发展到现在，其相关技术已不断完善，各方面性能也有显著提高，主要产品形式分为锌空气一次电池和锌空气二次电池，可以满足多种用途的需求。

　　与其他一次电池相比，锌空气电池具有容量大、能量密度高、价格低廉、放电曲线平稳等优点。目前一次性电池产品除了常见的钮扣式电池外也日益多样化，应用领域相应扩大。

　　（1）钮扣式一次电池

　　早期的商品锌空气电池仅限于钮扣式一次电池，安全性好且价格便宜。用于便携式电子产品中，主要是助听器。目前，这种电池的用途正在扩大，因为高能量密度逐渐可以满足各种用途的普遍要求，如电子手表、计算器、电子词典等便携式电子信息产品。

　　（2）其它结构的一次电池

　　随着圆柱型电池防漏问题的逐步解决，使实用圆柱系列锌空气电池的生产与推广工作得以实现。此外，应用在手机上的方形电池的研究在国内一些研究单位也取得了不错的成果。先将锌空气电池推向移动电话应用领域的是以色列ElectricFuel公司，针对于Motorola手机使用，试验阶段可以实现连续通话6.2H，期望最终达到连续通话10H以上。这种电池与锂离子电池、MH-Ni电池相比在价格、重量、通话时间等性能方面都显示出显著的优越性。武汉大学也研制出方形结构的用于移动电话的锌空气电池，电池组比能量高达220Wh/kg最大输出功率可达3.6W，并且其综合性能完全满足移动电话的使用要求。

　　另外，锌空气储备电池也受到关注，这种电池相对体积小，储能大，广泛应用于军用装置、航海照明、野外勘探等方面。

　　2.锌空气二次电池研究现状

　　近年来电动车发展迅速，给锌空气电池提供了广阔的发展空间。锌空气电池具有能量高、零污染、不燃爆、可循环利用等特点，非常适宜用作城市电动车的动力电源，具有很大的开发潜能，使得人们对它的研究逐步转移到大功率动力电池上？锌空气二次电池也成了各研究机构的开发重点。锌空气二次电池主要有直接再充式锌空气电池、机械更换式锌空气电池、锌空气燃料电池等。

　　（1）接可再充式锌空气电池

　　直接再充式锌空气电池是直接对锌空气电池的锌电极充电，在此过程中存在很多的问题。如锌在碱性溶液中的电化学活性很大，同时热力学性质不稳定，充电产物锌酸盐在强碱溶液中溶解度较高，因此电极容易出现变形、枝晶生长、自腐蚀及钝化等现象，导致电极逐渐失效。另外，空气电极可逆性差，且在大气环境中电解液容易碳酸化，而且，电解液受空气湿度的影响较大。当相对湿度较低时，电池将损失水分，导致电解液不足，使电池失效；当空气相对湿度较高时，电解液变稀，导电率降低，还有可能淹没气体电极的催化层，降低电极活性，导致电池失效。因此，可再充式锌空气二次电池的应用受到了一定的限制

　　（5）机械充电式锌空气电池

　　鉴于直接可再充式锌空气电池存在的问题难以得到解决，科研人员在研究过程中根据锌空气电池的放电特征及自身的特点，建立了新的二次锌空气电池充电理念———机械式“充电”。所谓机械式“充电”是指在电池完全放电后，将电池中用过的锌电极取出，换入新的锌电极，或者将整个电池完全更换掉，整个过程所用的时间为3-5min.锌电极气电池可在超市、电池经营点、汽配商店等购买，对普及以锌空气电池作为动力的电动车十分有利。使用过的锌电极或锌空气电池拿到专门的锌回收利用厂进行回收再加工，实现绿色环保无污染。

　　近年来？以色列科学家对电动车用机械再充式锌空气电池作了深入的探讨。据J.R.Goidsrein等报道，他们研制的这类电池组比能量达到180-200W/Kg，在80%放电深度时，峰值比功率可达到100W/KG。他们采用的电池模块由22片单体电池组成，电容量达250ah总能量为6.25KWH。整个电池组由24个模块组成，整体总能量为150kwh，质量约800kg。仅更换一次锌电极，车辆行驶里程即可超过300km，这一锌空气电池组已成功地用于德国邮政车辆上。更换锌电极和锌电极的再生工作由专门的充电站来完成。

　　中国科技大学研究小组在这方面也做了一些工作，他们研制的用于电动自行车的动力电池有4个模块，每个模块10片单电池，整个电池组质量约8kg，比能量达到200wh/kg，放电深度70%以上。该小组已基本完成单台自行车行车、电池再生的循环实验。更换下来的氧化锌混合物在电解槽内进行回收处理，电解锌可经过简单处理再重新制成锌电极。

　　（3）锌空气燃料电池

　　锌空气燃料电池的概念是依据现有的燃料电池提出的，基本原理与机械式“充电”相似，都是更换锌极活性物质。锌空气燃料电池是将配制好的锌膏源源不断地送入电池内，同时将反应完毕的混合物排出电池外，同时还要保证电池运行时有足够的氧气供应。这样电动车只需携带盛放锌膏的燃料罐，盛放足够的燃料便可实现连续行驶。然后按时更换燃料罐，取走反应生成物即可。

　　锌空气燃料电池在基本原理上已不存在问题，特别是在锌膏配制搅拌方面，关键在于整体结构的设计。这种设想所存在的问题主要是锌膏如何输送到电池中去，反应完毕的生成物如何从电池中排出而又不损坏电池其他部分。由于锌膏的黏度大，不能像气体和液体那样采用泵来输送，只能采用挤压或其他方式。锌膏经放电反应后生成物的成分复杂，很难将其排出电池体外。正因为这些问题很难得到解决，锌空气燃料电池至今一直停留在实验阶段。

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