制造成本低 蓄电容量大
空气电池研发驶入快车道
◎本报记者 刘 霞
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【科技创新世界潮】
用空气制造的终极蓄电池有望在不久的将来出现。这种电池不需要传统的电极，重量是现有锂电池的1/5。《日本经济新闻》在近日的报道中指出，全世界多个国家和多家企业正积极推进空气电池研发，期待能借此实现尽快脱碳的目标。这种电池目前主要用于风能等可再生能源储电，随着研发技术不断取得进展，其应用范围也将进一步扩大。
空气电池优点多多
空气电池是新一代蓄电池，其正极材料可以吸收空气中的氧，负极使用金属(如锂)等材料。放电时，金属离子从负极向正极移动，与从空气中吸收的氧发生反应而产生电；在充电过程中，金属离子与氧分离并从正极移动到负极。
由于负极使用的材料主要是便宜的铁(锈)和锌，所以制造成本低，而正极几乎不需要容积，这就使得电池不仅重量轻，而且锂含量高，可以增加蓄电容量。
由于不能做得很小，空气电池大多用在容易确保较大安装空间的地方，如风能和太阳能等可再生能源储电，以推进脱碳。联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯曾表示，为了能在21世纪中叶实现碳中和，大约到2030年太阳能和风能的存量需要增加1倍，因此，非常需要一种能更长期、更大量存储清洁能源的技术，空气电池被寄予厚望。
此外，空气电池的电极材料价格便宜，制造成本有可能降到锂离子电池的1/10以下。斯坦福大学土木与环境工程教授马克·雅各布森指出，锂离子电池的成本为每千瓦时100—200美元。
斯坦福大学商学院教授斯特凡·雷切尔斯坦则表示：“如果铁可以替代钴、镍和锂等昂贵的贵金属，那么空气电池有明显的经济潜力。”
多家企业竞相研制
空气电池的这些优点让很多企业竞相投入。据《日本经济新闻》报道，今年2月，美国福姆能源公司宣布，将向佐治亚州的电力公司提供其独立研发的由铁和氧驱动的“铁空气电池”。
福姆能源公司称，这款铁空气电池能储存电力100小时以上，量产时的制造成本将不足每千瓦时20美元，不到锂离子电池制造成本的1/10。且由于使用不能燃烧的电解质，这种电池安全性很高。美国卡内基-梅隆大学2021年8月发布的制造成本估算数据也显示，铁空气电池成本约为每千瓦时25美元。
比尔·盖茨也在自己的博客中写道，(福姆能源)正在“创造一种新型电池，能以比锂离子电池更低的成本长时间储电”。
无独有偶，日本初创公司科尼克斯系统公司也在研发一种结合氢氧燃料电池技术的新型铁空气电池。公司设想将材料成本降至常规成本的1/10以下，拟于2025年发售，用于可再生能源储电领域。
加拿大初创企业锌8能源解决方案公司则另辟蹊径，正在研发使用锌材料的“锌空气电池”。据称，锌空气电池的容量往往高于铁空气电池，该公司的制造成本为每千瓦时45美元，不到锂离子电池的1/4。该公司将于2022年秋季开始，在纽约市建造一个1.5兆瓦时的设施，为公寓楼供电。
据《日本经济新闻》报道，日本FDK公司正在研发“氢空气电池”，这种电池负极使用储氢合金，通过让氢与从正极吸入的氧发生反应产生电能。由于电解液不具有可燃性，电池的安全性较高。公司计划2023年向电力公司等机构提供样品。
此外，从重量来说，主要材料采用树脂的“全树脂电池”也颇具前景——日本APB公司开发的新型“锂空气电池”比同类锂电池轻20%，计划向无人潜水艇供电。
技术难题有待攻克
尽管科学家们正在研制多款空气电池，但其要想真正“大显身手”，仍有不少技术难题有待攻克。
首先，氧很难从氧化物团中分离出来，金属锂则有很高的起火和产热风险，使用锂的空气电池在使用过程中负极会变形，容易引起短路。韩国三星电子集团和蔚山科学技术院为了减少电池中氧气通过区域的老化，用有机材料代替陶瓷，由此充放电的次数从不到10次增加到了100次，虽然仍达不到锂离子电池的4000次充放电次数，但已算不小的进步。
此外，铁空气电池等并不能完全代替锂电池，因为它们太重太大，并不能用在手机、电脑和新能源汽车上。不过，科学家们表示，更轻的空气电池的研发正在取得进展，其应用范围也将进一步扩大。