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      未來綠色儲能:金屬空氣電池

      時間:2023-10-26 17:28 來源:光明日報

        金屬空氣電池,是利用鋅、鎂、鋁等常見金屬與氧氣、海水制成的新型電池。它利用空氣中的氧氣與儲能金屬反應發電,能量密度可達鋰離子電池的3~4倍以上,并可以使用水溶液甚至海水作為電解液,蓄電量高、價格低廉、使用安全。當前,多個國家都在積極推進這項研究,未來,金屬空氣電池有望成為大規模應用的儲能設備。

      新型電池蓄電量高、價格低廉、使用安全

        距今100多萬年前,人類學會了利用自然界中的火,從此開啟了能源時代。在經歷過漫長的柴薪時代后,隨著工業革命興起,蒸汽機和內燃機的發明與應用,推動了生產力的高速發展,同時也帶來了巨大的能源缺口。所幸,當木材已無法滿足人類需求時,煤和石油等高熱值的化石燃料登上了歷史舞臺,并迎來了大爆發。然而在短短200多年間,人類燃燒了數千億噸煤炭、石油和天然氣,按照目前的儲采比,全球已探明的化石燃料僅夠人類再使用百年左右,化石燃料大量燃燒所導致的氣候危機更是迫在眉睫,留給人類完成能源轉型的時間屈指可數。

        在2021年聯合國舉行的能源高級別對話會議中,聯合主席阿奇姆·施泰納強調:2021年必須成為可持續能源轉型的“歷史性轉折點”,為了實現2050年全球凈零排放和《巴黎協定》的主要目標(將21世紀全球氣溫上升幅度控制在2℃以內),世界各國必須大力發展可再生能源。電是太陽能、風能、水能等可再生能源的重要形式,而電池作為儲存電能的主要裝置,已成為新能源時代最重要的器件之一。

        然而,目前大規模使用的各種電池,都存在各自的短板,例如鉛酸電池重量體積大、能量密度低、使用壽命短且含有對人體和環境都有害的重金屬鉛;鋰離子電池,雖然在電子設備和新能源汽車上應用廣泛,但也存在安全隱患,易燃易爆且成本相對較高。

        金屬空氣電池是一種新型電池,具有許多電池所不具備的優勢。它利用空氣中的氧氣與儲能金屬反應發電,能量密度可達鋰離子電池的3~4倍以上,而且使用水溶液作為電解液,不會燃燒或爆炸,更為安全。

        由于性能卓越,未來金屬空氣電池有望成為大規模應用的儲能設備,多個國家都在積極推進這項研究。2014年7月,以色列一家公司曾采用鋁—空氣電池作為電動車動力電池,實現了驚人的1600公里續航,震驚業內。而在2015年4月,美國紐約EOS儲能公司發布了一款鋅—空氣電池,可以實現高達2700次充放電循環而性能沒有衰減,該公司聲稱,這種電池最終能夠實現上萬次循環,并在電網儲能中維持30年以上的壽命。此外,早在20世紀90年代,挪威和意大利就以海水為電解液開發了用于深海油氣井探測控制系統的鎂—空氣電池,能量密度超出傳統鉛酸電池的10倍以上,顯示出廣泛的應用前景。

      利用金屬、氧氣、海水可制成電池

        金屬空氣電池是以較活潑的金屬,諸如鋅、鎂、鋁等,作為負極活性物質,配合具有催化活性的空氣電極作為正極,加上合適的電解質而構成的新型電池。

        根據負極使用的金屬,金屬空氣電池主要可分為鋅空氣電池、鎂空氣電池和鋁空氣電池。金屬空氣電池的工作原理為,負極活潑金屬提供的電子通過外電路傳輸到正極與空氣中的氧氣結合,從而形成導電通路。這種電池的正極,即空氣電極,通常由三部分組成,分別是氣體擴散層,用于吸收空氣中的氧氣和防止電解質泄露;催化劑層,用于加速氧氣參與反應的速率;集流體層,用于提高空氣電極的導電性。電池中的電解質,可采用堿性或近中性的水系電解質,甚至可以直接采用海水作為電解質。

        金屬空氣電池具有蓄電量高、價格低廉、使用安全等優點。首先,金屬空氣電池的蓄電量特別高,由于它消耗的是空氣中的氧氣,取之不盡用之不竭,理論上正極容量是無限的,再加上氧氣不需要存儲在電池內,使得金屬空氣電池的理論蓄電量比常用的鋰電池大得多,理論電量是鋰離子電池的6~10倍,實際蓄電量可達鋰離子電池的3倍。如果用作汽車動力電池,有望實現1000公里以上的超長續航。

        其次,金屬空氣電池成本低廉,電池組成材料常見易得,主要使用的耗材,如負極用的金屬鋅、鎂和鋁等,都是地殼豐度元素,來源豐富、價格低廉。最后,金屬空氣電池更為安全,由于使用水系電解質,沒有易燃易爆成分,不存在燃燒或爆炸的風險。

        根據負極充電特性不同,金屬空氣電池分為二次電池(鋅空氣電池)和一次電池(鎂空氣電池、鋁空氣電池),都結構簡單,便于操作,無需專人維護,其制造、使用、回收等流程均無有害物質釋出,也被稱為“面向21世紀的綠色能源”。

        金屬空氣電池在諸多領域具有廣闊的應用前景。例如,金屬空氣電池具有使用方便、安全性高等優點,可為助聽器等小型用電設備供電,目前小型鋅空氣電池已被設計為紐扣電池,廣泛用于助聽器的電池。金屬空氣電池中的鋁空氣電池具有高蓄電量和長續航的特點,可以作為電動車、無人機和便攜設備等的理想供能選擇,而且鋁空氣電池只需要更換負極金屬板,不需要充電,提高了充電效率和便捷性。將金屬空氣電池與鋰離子電池聯用,可使其兼具高蓄電量和長續航的優點,續航時間可達到鋰電設備的2~3倍。鎂空氣電池和鋁空氣電池可作為應急電源,用于自然災害發生時的電力供應或戶外活動中的電源,它們結構簡單、便于操作,關鍵時刻僅需加水即可提供可靠的電源供應,2公斤左右的金屬空氣電池即可滿足三口之家的應急用電,并且不會產生噪聲和有害物質,是綠色安全的電力來源。對于地形復雜的地區或者邊遠島礁,采用金屬空氣電池供電,技術難度低,安全性高。

      國內外多年攻關技術瓶頸

        金屬空氣電池雖優點眾多,是具有廣闊應用前景的新型電源,但是并沒有實現規?;瘧?,其實際使用過程中仍面臨多種關鍵技術瓶頸。例如鋅空氣電池功率小、壽命短;鎂空氣電池續航短;鋁空氣電池放電過程析氫副反應嚴重,導致電解液短時間內沸騰,通常使用時長不超過15分鐘,會出現“燒開水現象”;空氣電極側存在氧氣獲取速度慢、使用壽命短等缺點,這些都在一定程度上限制了金屬空氣電池的應用和推廣。

        針對金屬空氣電池存在的諸多技術瓶頸,國內外多年來都在攻關。2015年,加拿大滑鐵盧大學陳忠偉博士團隊實現了鋅空氣電池能量密度的突破,電池蓄電量提升了40%;2023年,西澳伊迪斯科文大學(ECU)有研究團隊表示,其研究的新型鋅空氣電池使用壽命超過950小時,且蓄電量沒有任何損失;重慶大學潘復生院士團隊開發的鎂空氣電池能量密度達到了鉛酸電池的20倍以上,電解液可直接采用海水,在深海著陸器、深海原位實驗站等海洋裝備領域具有很好的應用前景;天津大學胡文彬、吳忠團隊近年來解決了鋁空氣電池放電副反應嚴重的突出問題,實現了這類電池大功率、穩定長效放電,能量密度突破900Wh/kg,已經在分布式污水處理設備和水面潛行器的供能系統開展了示范應用,如果用于汽車動力電池,可實現2500公里以上的超長續航。

        當前金屬空氣電池仍處于商業化早期階段,大多數技術停留在實驗室研究階段,但部分技術,如一次鋅空、鋁空電池已初步具備工程化應用的潛力。有國際市場咨詢公司預計,到2028年,金屬空氣電池市場價值或將達到11.73億美元??磥?,在不久的將來,通過國內外對金屬空氣電池相關技術的整合以及電池器件結構的設計優化,金屬空氣電池將會真正給人類生產和生活帶來極大便利。

      未來可在能源儲備中大展拳腳

        事實上,在鋰礦產資源緊缺的當下,拋開各項性能優點不論,金屬空氣電池的最大優勢在于其電極材料選擇更多樣,且資源儲量豐富。經粗略計算,即使將全球儲存的1700萬噸鋰資源全部開采加工成鋰離子電池,其能存儲的總電量都遠遠不夠全球一天的用電量。而空氣電池不僅僅可以鋰、鋅等元素作為電池的負極材料,地殼中含量極高的鐵、鋁、鎂等亦是負極材料的主流選擇??梢灶A見,在大規模儲能蓬勃發展的未來,空氣電池作為儲能技術備選方案之一,必將迎來大展拳腳之時。

        金屬空氣電池綠色安全,可實現循環再利用,能進一步提高對可再生能源的利用率。截至2023年4月底,我國風力光伏發電總裝機量已突破8000億瓦,占全國發電裝機的30.9%。但風光發電也給電網調度帶來了不小負擔——風、光資源有隨機性和不穩定性,在無風、夜晚等情景時,仍需要火電來維持電網的功率,而在風、光資源極佳之時卻需要限功率運行以減小電網的負擔,由此產生了大量的“棄風”和“棄光”,因此有人戲謔地將風電和光電稱為“垃圾電”。以往的研究都致力于利用鋰電和氫能存儲這部分電能,而金屬空氣電池將為“變廢為寶”提供更加綠色安全且廉價的途徑。利用“棄風、棄光”發出的電,結合成熟的電解冶金技術,將金屬空氣電池放電過程中溶解到電解液里的鋅、鋁、鎂等儲能金屬提煉后,再經過簡單加工便可重新制成新的電池電極。這一完整的使用—回收—再生循環鏈將輔助存儲風力、光伏發電。

        能源作為現代經濟的生命線,是社會發展的根本保障。近年來,全球形勢復雜多變,影響了能源的正常供給甚至導致能源緊缺的重大危機。這推動著我們對傳統能源結構進行改進,現在新興的能源選擇主要是鋰電和氫能,然而從長遠來看,金屬空氣電池同樣具備潛力,成為能源儲備的重要一環,幫助我們進一步完善能源結構,減少對化石燃料的依賴,穩定能源供給、保障能源安全。

        (作者:吳忠、胡文彬,分別系天津大學教授,天津大學教授、天津大學科研院院長)

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