未来绿色储能:金属空气电池

发布时间:2024-05-18 23:58:29 来源: sp20240518

  金属空气电池,是利用锌、镁、铝等常见金属与氧气、海水制成的新型电池。它利用空气中的氧气与储能金属反应发电,能量密度可达锂离子电池的3~4倍以上,并可以使用水溶液甚至海水作为电解液,蓄电量高、价格低廉、使用安全。当前,多个国家都在积极推进这项研究,未来,金属空气电池有望成为大规模应用的储能设备。

  新型电池蓄电量高、价格低廉、使用安全

  距今100多万年前,人类学会了利用自然界中的火,从此开启了能源时代。在经历过漫长的柴薪时代后,随着工业革命兴起,蒸汽机和内燃机的发明与应用,推动了生产力的高速发展,同时也带来了巨大的能源缺口。所幸,当木材已无法满足人类需求时,煤和石油等高热值的化石燃料登上了历史舞台,并迎来了大爆发。然而在短短200多年间,人类燃烧了数千亿吨煤炭、石油和天然气,按照目前的储采比,全球已探明的化石燃料仅够人类再使用百年左右,化石燃料大量燃烧所导致的气候危机更是迫在眉睫,留给人类完成能源转型的时间屈指可数。

  在2021年联合国举行的能源高级别对话会议中,联合主席阿奇姆·施泰纳强调:2021年必须成为可持续能源转型的“历史性转折点”,为了实现2050年全球净零排放和《巴黎协定》的主要目标(将21世纪全球气温上升幅度控制在2℃以内),世界各国必须大力发展可再生能源。电是太阳能、风能、水能等可再生能源的重要形式,而电池作为储存电能的主要装置,已成为新能源时代最重要的器件之一。

  然而,目前大规模使用的各种电池,都存在各自的短板,例如铅酸电池重量体积大、能量密度低、使用寿命短且含有对人体和环境都有害的重金属铅;锂离子电池,虽然在电子设备和新能源汽车上应用广泛,但也存在安全隐患,易燃易爆且成本相对较高。

  金属空气电池是一种新型电池,具有许多电池所不具备的优势。它利用空气中的氧气与储能金属反应发电,能量密度可达锂离子电池的3~4倍以上,而且使用水溶液作为电解液,不会燃烧或爆炸,更为安全。

  由于性能卓越,未来金属空气电池有望成为大规模应用的储能设备,多个国家都在积极推进这项研究。2014年7月,以色列一家公司曾采用铝—空气电池作为电动车动力电池,实现了惊人的1600公里续航,震惊业内。而在2015年4月,美国纽约EOS储能公司发布了一款锌—空气电池,可以实现高达2700次充放电循环而性能没有衰减,该公司声称,这种电池最终能够实现上万次循环,并在电网储能中维持30年以上的寿命。此外,早在20世纪90年代,挪威和意大利就以海水为电解液开发了用于深海油气井探测控制系统的镁—空气电池,能量密度超出传统铅酸电池的10倍以上,显示出广泛的应用前景。

  利用金属、氧气、海水可制成电池

  金属空气电池是以较活泼的金属,诸如锌、镁、铝等,作为负极活性物质,配合具有催化活性的空气电极作为正极,加上合适的电解质而构成的新型电池。

  根据负极使用的金属,金属空气电池主要可分为锌空气电池、镁空气电池和铝空气电池。金属空气电池的工作原理为,负极活泼金属提供的电子通过外电路传输到正极与空气中的氧气结合,从而形成导电通路。这种电池的正极,即空气电极,通常由三部分组成,分别是气体扩散层,用于吸收空气中的氧气和防止电解质泄露;催化剂层,用于加速氧气参与反应的速率;集流体层,用于提高空气电极的导电性。电池中的电解质,可采用碱性或近中性的水系电解质,甚至可以直接采用海水作为电解质。

  金属空气电池具有蓄电量高、价格低廉、使用安全等优点。首先,金属空气电池的蓄电量特别高,由于它消耗的是空气中的氧气,取之不尽用之不竭,理论上正极容量是无限的,再加上氧气不需要存储在电池内,使得金属空气电池的理论蓄电量比常用的锂电池大得多,理论电量是锂离子电池的6~10倍,实际蓄电量可达锂离子电池的3倍。如果用作汽车动力电池,有望实现1000公里以上的超长续航。

  其次,金属空气电池成本低廉,电池组成材料常见易得,主要使用的耗材,如负极用的金属锌、镁和铝等,都是地壳丰度元素,来源丰富、价格低廉。最后,金属空气电池更为安全,由于使用水系电解质,没有易燃易爆成分,不存在燃烧或爆炸的风险。

  根据负极充电特性不同,金属空气电池分为二次电池(锌空气电池)和一次电池(镁空气电池、铝空气电池),都结构简单,便于操作,无需专人维护,其制造、使用、回收等流程均无有害物质释出,也被称为“面向21世纪的绿色能源”。

  金属空气电池在诸多领域具有广阔的应用前景。例如,金属空气电池具有使用方便、安全性高等优点,可为助听器等小型用电设备供电,目前小型锌空气电池已被设计为纽扣电池,广泛用于助听器的电池。金属空气电池中的铝空气电池具有高蓄电量和长续航的特点,可以作为电动车、无人机和便携设备等的理想供能选择,而且铝空气电池只需要更换负极金属板,不需要充电,提高了充电效率和便捷性。将金属空气电池与锂离子电池联用,可使其兼具高蓄电量和长续航的优点,续航时间可达到锂电设备的2~3倍。镁空气电池和铝空气电池可作为应急电源,用于自然灾害发生时的电力供应或户外活动中的电源,它们结构简单、便于操作,关键时刻仅需加水即可提供可靠的电源供应,2公斤左右的金属空气电池即可满足三口之家的应急用电,并且不会产生噪声和有害物质,是绿色安全的电力来源。对于地形复杂的地区或者边远岛礁,采用金属空气电池供电,技术难度低,安全性高。

  国内外多年攻关技术瓶颈

  金属空气电池虽优点众多,是具有广阔应用前景的新型电源,但是并没有实现规模化应用,其实际使用过程中仍面临多种关键技术瓶颈。例如锌空气电池功率小、寿命短;镁空气电池续航短;铝空气电池放电过程析氢副反应严重,导致电解液短时间内沸腾,通常使用时长不超过15分钟,会出现“烧开水现象”;空气电极侧存在氧气获取速度慢、使用寿命短等缺点,这些都在一定程度上限制了金属空气电池的应用和推广。

  针对金属空气电池存在的诸多技术瓶颈,国内外多年来都在攻关。2015年,加拿大滑铁卢大学陈忠伟博士团队实现了锌空气电池能量密度的突破,电池蓄电量提升了40%;2023年,西澳伊迪斯科文大学(ECU)有研究团队表示,其研究的新型锌空气电池使用寿命超过950小时,且蓄电量没有任何损失;重庆大学潘复生院士团队开发的镁空气电池能量密度达到了铅酸电池的20倍以上,电解液可直接采用海水,在深海着陆器、深海原位实验站等海洋装备领域具有很好的应用前景;天津大学胡文彬、吴忠团队近年来解决了铝空气电池放电副反应严重的突出问题,实现了这类电池大功率、稳定长效放电,能量密度突破900Wh/kg,已经在分布式污水处理设备和水面潜行器的供能系统开展了示范应用,如果用于汽车动力电池,可实现2500公里以上的超长续航。

  当前金属空气电池仍处于商业化早期阶段,大多数技术停留在实验室研究阶段,但部分技术,如一次锌空、铝空电池已初步具备工程化应用的潜力。有国际市场咨询公司预计,到2028年,金属空气电池市场价值或将达到11.73亿美元。看来,在不久的将来,通过国内外对金属空气电池相关技术的整合以及电池器件结构的设计优化,金属空气电池将会真正给人类生产和生活带来极大便利。

  未来可在能源储备中大展拳脚

  事实上,在锂矿产资源紧缺的当下,抛开各项性能优点不论,金属空气电池的最大优势在于其电极材料选择更多样,且资源储量丰富。经粗略计算,即使将全球储存的1700万吨锂资源全部开采加工成锂离子电池,其能存储的总电量都远远不够全球一天的用电量。而空气电池不仅仅可以锂、锌等元素作为电池的负极材料,地壳中含量极高的铁、铝、镁等亦是负极材料的主流选择。可以预见,在大规模储能蓬勃发展的未来,空气电池作为储能技术备选方案之一,必将迎来大展拳脚之时。

  金属空气电池绿色安全,可实现循环再利用,能进一步提高对可再生能源的利用率。截至2023年4月底,我国风力光伏发电总装机量已突破8000亿瓦,占全国发电装机的30.9%。但风光发电也给电网调度带来了不小负担——风、光资源有随机性和不稳定性,在无风、夜晚等情景时,仍需要火电来维持电网的功率,而在风、光资源极佳之时却需要限功率运行以减小电网的负担,由此产生了大量的“弃风”和“弃光”,因此有人戏谑地将风电和光电称为“垃圾电”。以往的研究都致力于利用锂电和氢能存储这部分电能,而金属空气电池将为“变废为宝”提供更加绿色安全且廉价的途径。利用“弃风、弃光”发出的电,结合成熟的电解冶金技术,将金属空气电池放电过程中溶解到电解液里的锌、铝、镁等储能金属提炼后,再经过简单加工便可重新制成新的电池电极。这一完整的使用—回收—再生循环链将辅助存储风力、光伏发电。

  能源作为现代经济的生命线,是社会发展的根本保障。近年来,全球形势复杂多变,影响了能源的正常供给甚至导致能源紧缺的重大危机。这推动着我们对传统能源结构进行改进,现在新兴的能源选择主要是锂电和氢能,然而从长远来看,金属空气电池同样具备潜力,成为能源储备的重要一环,帮助我们进一步完善能源结构,减少对化石燃料的依赖,稳定能源供给、保障能源安全。

  (作者:吴忠、胡文彬,分别系天津大学教授,天津大学教授、天津大学科研院院长 来源:光明日报) 【编辑:叶攀】