新能源之我见

胡晋玮

摘 要：金属空气电池是一种新型的特殊燃料电池，也是一种可循环使用的绿色环保电池。它的金属材料来源广泛、储量丰富、成本低廉，并且可再生利用，是传统燃料电池的理想替代产品，具有广泛的发展空间和应用前景。

关键词：金属空气电池;绿色环保;新型能源;比能量高

中图分类号：U469. 72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0249-02

0 引言

金属空气电池（Metal Air Battery）是一种特殊的新型燃料电池，也是一种可循环使用的绿色环保电池。它具有比能量高、稳定性强、性价比高、无毒害、无污染等特点。它的金属材料来源广泛、储量丰富、成本低廉，并且可再生利用，是传统燃料电池的理想替代产品，具有广泛的发展空间和应用前景。

金属空气电池作为一种高性价比的绿色新型能源，可选用的金属原材料比较丰富，目前已取得研究进展的，主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池、钙空气电池、铁空气电池等。这几类金属空气电池，有的已进入规模化生产，有的已具备量产条件，有的还只是停留在实验室研究阶段。

通过世界各国科学家们的努力，金属空气电池的应用研究已取得了巨大的发展。金属空气电池可作为动力电池能源，为新能源汽车、大型无人机、智能机器人等提供动力来源;在为水下机器人提供动力来源的同时，其电池氧化反应后又可为科考人员提供氧气来源。金属空气电池作为电力储备能源，可为无法通电的偏远山区架设通讯发射基站，提供稳定、持续的电力保障;应用在抗震救灾、应急救援等领域，可为照明设备、通讯设备、救灾设备、电子仪器等提供应急电力供应……

1 金属空气电池的发展历程

在国外，关于金属空气电池的研究最早可追溯到19世纪50年代。1850年，Hulot设计了一种以锌汞作负极、铝作正极、稀硫酸作电解液的初级电池。从那时起，铝就被用做了电池的电极使用。1857年，在Buff电池的设计中，铝首次被作为电池的負极使用。1893年，C·H·Brown为汞化铝-锌合金作负极、石墨碳作正极的电池装置申请了专利[1]。

20世纪50年代，S·Ruben取得了突破性进展，将铝作为负极材料应用在Laclanche电池中，此项研究获得了发明专利。60年代，Zaromb和Trevethan等人提出了铝空气电池的概念，发现了氧化锌和某种有机化合物的存在，可以明显的减缓汞化铝在电解液中的腐蚀速度。70年代以后，以熔盐和非水电解质的铝二次电池的研究，获得了巨大的发展。之后，外国的科学家们陆续发明了以电极电位较负的金属（如铝、锌、镁、锂、钙、铁等）作为负极，以空气中的氧（或纯氧）作为正极的金属空气电池。

相对于国外，我国金属空气电池方面的研究起步较晚，研究机构也不多。哈尔滨工业大学在20世纪80年代，开始从事铝空气电池方面的研究，1983年完成了阳极四元铝合金的研究，90年代完成了3W中性铝空气电池的样品研制。天津大学在90年代初，成功研制出船用大功率中性电解液铝空气电池组。另外，武汉大学、浙江大学、上海交大等高校，以及北京有色金属研究总院，也在金属空气电池的研究方面，做出了卓有成效的探索[2]。

2 金属空气电池的结构原理及特点

金属空气电池是以金属为燃料，与氧气在电解液中发生氧化还原反应，从而产生电能的一种特殊燃料电池（如图1）。金属空气电池以活泼金属（如铝、锌、镁、锂、钙、铁等）作负极，以空气中的氧（或纯氧）作正极，以碱性溶液作电解液，发生的化学反应与普通化学电池相同。

金属空气电池的主要特点包括：

（1）比能量高。金属空气电池是一种新型的高比能量电池，理论比能量可达到2290W·h/kg，实际研发的产品比能量已达到了300～400W·h/kg，远高于目前其它各类电池的比能量（如表1）。（2）比功率中等。空气电极的工作电位远离其热力学平衡电位，交换的电流密度小，电池放电时极化较大，导致了电池的比功率只能达到50～200W/kg。（3）性能稳定。电解液采用了碱性溶液，可以在很高的电流密度下工作，如果再采用纯氧代替空气，放电性能还可以大幅度提高，从而提供持续稳定的电力来源。（4）性价比高。金属电极采用的负极材料均为储量巨大的非贵重金属，所以价格便宜，性价比较高。（5）使用寿命长。金属电极可以不断更换，所以空气电极的使用寿命决定了金属空气电池的使用寿命。（6）绿色环保。金属空气电池的电化反应只消耗金属电极、氧气和电解液，反应生成的物质可二次回收利用，无毒害污染。（7）适应性强。金属空气电池的结构和使用的金属电极材料，可根据使用环境和要求作出相应的变动，具有较强的适应性[3]。

3 金属空气电池的应用前景

电动汽车的发展已成为一种必然趋势，它使用新能源取代汽油作为动力来源，缓解了世界石油资源枯竭的问题，是一种零排放、无污染、绿色生态的交通工具。金属空气电池作为一种新型能源，可应用在电动汽车、电动摩托车、电动自行车、无人飞机、水下机器人、游艇、装载车、运输车、叉车、高尔夫球车等电动车辆上，既生态又环保。

在一些偏远地区或海岛，网络通讯信号的发射基站无法远距离架设电线，造成了该地区无法实现网络通讯信号的覆盖。采用金属空气电池作为电力来源，不需要长距离架线，可长期稳定、持续的为网络通讯信号发射基站、海洋浮标信号发射器等，提供充足的电力保障。

当遇到地震塌方、山洪爆发、台风海啸、洪水泥石流等重大地质灾害，而出现电力中断时，往往会伴随着通讯中断、无法照明、无法启用广播等电力设备。使用金属空气电池作为大功率储备电源，可在应急救援时为网络通讯、广播电台、应急照明等电力设备提供储备应急充电，关键时候解救危难。

加拿大铝能源公司与多伦多大学、Eontech公司组成联合集团，开发出一种小型便携式金属空气电池，应用在移动手机、笔记本电脑、数码照相机、电子游戏机等电子产品领域，实现了一次性通话时间长达2～3小时，累计通话时间24小时，其容量是同规格锂电池的10倍以上[4]。

4 结语

新能源的开发，已成为世界范围内解决能源危机的重要举措。金属空气电池作为一种高性能的绿色新型能源，有着无比优异的性能和超高的性价比，是替代传统电池的理想产品。

它无论从军事国防、工业领域、民用领域，还是在抗震救灾、应急救援等领域，都有着无可比拟的巨大优势。一旦金属空气电池的应用技术得到突破，实现了规模化量产，其市场前景将无比广阔。

参考文献

[1] 舒方霞.铝-空气燃料电池铝基合金阳极的制备及性能测试[D].沈阳：东北大学，2004.

[2] 王俊波.铝在碱性介质中的腐蚀与电化学行为[D].杭州：浙江大学，2009.

[3] 赵少宁，李艾华.铝空气电池的研究现状和应用前景[J].电源技术，2014（10）：1969-1970.

[4] 徐艳芳，郑克文.金属空气电池的发展及应用[J].舰船科学技术，2003，25（1）：68-69.