當前，锂離子電池以其成熟的供應鍊體系占據儲能市場絕對份額，但由于其高昂的價格以及對稀有金屬的大量開采、消耗，促使人們去探索其他技術路線。近年來，被稱為“終極蓄電池”的“空氣電池”研發在美國、歐洲、日本等地獲得多項技術突破，有望成為能源行業下一代解決方案。

誕生于1878年的金屬空氣電池，正極使用吸收空氣中氧的材料，負極使用鋅、鐵、鋁等金屬材料。放電時，金屬離子從負極向正極移動，與從空氣中吸入的氧發生反應而産生電。而在充電過程中，金屬離子與氧分離從正極移動到負極。

廉價且地球儲量豐富的金屬材料令“空氣電池”較锂離子電池具備顯著優勢。根據類型的不同，金屬空氣電池的制造成本或可降低至後者的1/10以下，而且，金屬空氣電池的能量密度理論上比锂離子電池高6倍以上。美國麻省理工學院最新研究報告認為，極低的材料成本、高能量密度、電池設計相對簡單以及安全性良好，讓“空氣電池”前景光明。

7 月 25 日，在天津榮盛盟固利新能源科技有限公司模組車間，工業機器人在生産線上搬運動力電池模 孫凡越攝/本刊

01、鋅空氣電池商業化進程加快

麻省理工學院上述報告認為，鋅空氣電池是目前發展最成熟的“空氣電池”，其最早于1932年第一次用在助聽器上。近年來，多國企業和科研團隊陸續在催化劑、充放電技術等方面取得進步，在美國各州推出的各項促進清潔能源發展政策的推動下，鋅空氣電池商業化進程進一步加快，尤其是長時儲能應用。

7月上旬，加拿大初創企業鋅8能源解決方案公司宣布其獨立研發的鋅空氣電池将實現商業化第一步。該企業考慮在紐約市新建一個1.5兆瓦時的儲能設施，結合其獨立研發的鋅空氣電池和現有太陽能發電，為當地公寓樓供電。

據悉，該項目預計于今年秋季啟動，将成為鋅8能源解決方案公司第一個主要生産設施。目标安裝成本約為45美元/千瓦時，不到锂離子電池200美元/千瓦時的1/4。

早在2021年1月，美國企業Eos Energy Storage宣布與另一家美國企業EnerSmart簽署2000萬美元訂單，将在加利福尼亞州安裝10個鋅電池儲電設備，每個項目3兆瓦，能為2000戶家庭供能。2020年底，該公司還宣布在得克薩斯州和加利福尼亞州啟動另一項鋅空氣電池儲能項目，儲能規模為1兆瓦時，投資額超2.5億美元。

另外，比利時另一家初創公司AZA Battery也在推進鋅空氣電池規模化研發生産。最新報道稱，該公司将于2023年初開始試生産“空氣電池”，目标是于2026年開始量産，2027年實現1200兆瓦時的年産量。據該公司介紹，制造成本為25～35美元/千瓦時，比鉛酸電池便宜很多。

除了企業在鋅空氣電池商業化方面的努力，科研人員正不斷改進鋅空氣電池的性能。印度馬德拉斯理工學院研究人員正在開發可機械充電的鋅空氣電池，來替代電動汽車中使用的锂離子電池。

《科學》雜志刊登德國明斯特大學，中國複旦大學、武漢科技大學，美國馬裡蘭大學和美國陸軍研究實驗室等多團隊的合作成果表明，一種由防水離子組成的新電解質可提高電池效率。對傳統鋅電池來說，強堿性電解液帶來的高腐蝕性經常會損壞電池，而讓防水離子粘附在空氣陰極上能克服這個問題，提高使用效率。據介紹，該鋅空氣電池可以穩定運行1600個小時。

02、鐵空氣電池攻克反複充電技術

研究表明，鐵空氣電池在固定式儲能系統上的應用值得期待。今年初，麻省理工學院蔣業明（Yet-Ming Chiang）教授所在團隊與美國初創企業福姆能源公司合作，在鐵空氣電池技術上取得了重大突破。

相較于锂離子電池，“空氣電池”的充放電過程更加棘手——金屬空氣電池難以實現多次循環充放電，大多數情況是一次性的。上述團隊發明了一種“逆生鏽”技術，使鐵空氣電池可反複充電從而有效儲存、釋放能源，這解決了長期阻礙“空氣電池”發展的充放電困難問題。

而且，福姆能源公司也在同步推動鐵空氣電池的商業化。該公司今年2月宣布，向佐治亞州的電力公司提供容量為1500兆瓦時的電力儲存設施用于可再生能源儲電，相當于美國約4.5萬戶普通家庭一天所用電量。福姆能源公司此前還與明尼蘇達州的電力公司合作建立了150兆瓦時的儲能設施。

據稱，該鐵空氣電池量産時的制造成本最終将達20美元/千瓦時，不到锂離子電池的1/10。此外，由于所用的電解質具有不燃性，這種電池的安全性較高。

根據美國卡内基-梅隆大學2021年8月發布的制造成本估算數據，鐵空氣電池成本約為25美元/千瓦時。這種電池在正極等方面還有進一步降低成本的空間，在固定式儲能方面有發展前途。

另外，位于京都府精華町的日本初創公司科尼克斯系統公司正在研發一種新型鐵空氣電池，拟結合氫氧燃料電池的技術。公司設想将材料成本降至常規成本的1/10以下，目标是于2025年發售，用于可再生能源儲電等領域。

不過，金屬空氣電池的能量密度尚不及锂離子電池，即每單位電池質量儲存的能量更少。蔣業明教授表示，锂離子電池的能量密度可達100瓦時/千克，而鐵空氣電池隻有40瓦時/千克，這也是當前電動汽車不能使用鐵空氣電池等金屬空氣電池的主要原因。

03、“空氣電池”下半場

在各國企業和科研機構合作下，锂、鋁甚至氫等其他類型“空氣電池”研發也在如火如荼地展開。值得一提的是，因能量密度潛力大，锂空氣電池被認為是改進當今儲能技術的衆多途徑之一。麻省理工學院報告認為，锂空氣電池的比能量（氧化金屬時可以儲存的能量）約為锂離子電池的50倍。

今年初，日本國立材料科學研究所和軟銀集團合作開發了一種能量密度更高的锂空氣電池。室溫下運行時，這種電池的能量密度為500瓦時/千克，約為目前锂離子電池的兩倍。英國利物浦大學通過改進電解質，進而減少電池内的副反應來提高電池循環次數。

據中國儲能網報道，圍繞锂空氣電池的使用效率，中國與韓國的科研人員正在展開激烈的競争。

锂離子電池比能量面臨300瓦時/千克的瓶頸，占整體重量将近一半的正極是制約能量密度的主要因素。中國汽車電池研究所改善了锂空氣電池的電極結構，使電池容量達到了769瓦時/千克，将來“有可能用于航空航天産業和電動汽車”。

而韓國的三星電子集團和蔚山科學技術院為了減少電池中氧氣通過區域的老化，用有機材料代替了陶瓷，将充放電的次數從不到10次增加到了100次。

另一種豐富的金屬鋁也被用于開發“空氣電池”，而且由于重量輕，能量密度高，鋁空氣電池預計可顯著增加電動汽車的續航裡程。

7月，印度鋁工業有限公司、以色列領先的金屬空氣電池技術先驅Phinergy公司和IOP公司（Phinergy和印度石油公司的合資公司）簽署了一份諒解備忘錄，宣布這3家公司在印度達成獨家合作，以研發和試産用于鋁空氣電池的鋁闆以及鋁回收業務。

不過，部分行業專家指出，與鋅空氣電池不同，鋁空氣電池暫時無法充電，而且鋁生産的碳足迹也高于其他類型的金屬空氣電池。

金屬之外，“空氣電池”似乎還有更多可能性。

日本FDK公司成功實現了氫空氣電池充放電，主要是利用混合動力車等使用的鎳氫電池結構，将使用鎳的正極換成氧氣，加入主要成分為钌的微粒子作為催化劑。如果增加所連接的電池數量，從理論上講就會超過锂電池的容量。即使進行500次充放電，性能下降率也不到10%。如果是用于儲存可再生能源電力，預計可使用10年左右。而且，由于電解液有機溶劑不具備可燃性，該電池的安全系數較高。

據了解，該公司正在進行氫空氣電池實證試驗，目标是2023年向電力公司等提供樣品。另外，公司還在研發将含有價格較高的钌的正極催化劑用量減半等技術。

據國際市場咨詢公司Market Research預計，2021年，全球金屬空氣電池市場價值約為4.66億美元，主要用于提供儲能解決方案。到2028年，該市場價值将達到11.73億美元，2021～2028年預測期内的複合增長率為13.2%。

不過就目前而言，“空氣電池”商業化仍處于早期階段，行業下半場發展期待出現新的技術突破。

來源：環球雜志

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