金屬-空氣一次電池的技術發展水平，瓶頸以及市場前景如何？

01-13

本問題的針對點：
1、只說一次電池，不討論可充的二次電池範疇。
2、金屬主要有鋰、鋁、鎂、鋅等
3、這類電池的主要技術瓶頸是什麼？反應過熱？功率密度低？
4、該類產品的市場前景如何？是否在應急電源，戶外電源方面具有一定的優勢？是否有比較有名的國內外產品？我就知道一個日本古河，還有Alcoa（美鋁公司）和以色列Phinergy公司開發出的鋁空氣電池。

鋁空氣電池，快速換電可以解決電動車充電速度的問題。技術成熟後有可能應用在可換電電動汽車上，應該比氫燃料電池便宜。

鋁空氣電池作為非充電電池，早在20世紀60年代便已問世，並具有非常高的能量密度。鋁空氣電池由催化空氣陰極、電解質和金屬鋁陽極組成。

一個鋁氧化成鋁離子，釋放3個電子，比鋰強。按照電能/體積-重量計算，能量密度比鋰電高。但是氧化成氧化鋁後體積會膨脹，密度會降低。如果壓實氧化鋁，鋁接觸不到氧氣，反應速率會下降。（理論比能量可達8100Wh/kg，僅次於鋰-空氣電池的13.0千瓦時/千克，2014年的鋁空氣電池的實際比能量只達到350Wh/kg，仍然是鋰電池的2倍。）

特斯拉的專利技術也在瞄準金屬空氣電池，該專利描述了此電池組由鋰離子和金屬空氣電池（lithium-ion and metal-air）組成，充一次電可以讓汽車行駛距離達400英里（約合650公里）。特斯拉的「增程混合動力電池組系統」包含標準的鋰離子電池組、控制器和常規電動機，還另配有一個金屬空氣化學電池組。鋰離子電池組直接給車供電，金屬空氣電池組為鋰離子電池組提供電能。在特斯拉的專利設計中，金屬空氣電池組基本上取代了增程式內燃機。

以色列Phinergy公司開發出的鋁-空氣電池的空氣陰極配備有專用的銀基催化劑，其採用了獨特的創新結構，該結構可以使氧氣順利通過，而可以將二氧化碳阻隔在外。通過該創新結構，Phinergy鋁-空氣電池的空氣陰極可以有效避免鹼在正極的碳化問題，其工作壽命也因此可以達到數千小時。鋁的氧化反應在鋁暴露在空氣中時會自然發生，表面的氧化鋁會阻止深層的鋁繼續發生反應，新電池採用的新技術則包含了電解質（KOH溶液？）可溶解表面氧化層，使反應持續進行。

產業化的難點在於結構設計，催化劑篩選和電解液篩選。

Phinergy鋁空氣電池中共包含50塊鋁板，其中每一塊鋁板所產生的能量都可以單獨驅動汽車行駛20英里，因此整個Phinergy鋁空氣電池的續航里程可以達到1000英里（約合1600千米）。另外，Phinergy鋁空氣電池也已經成功集成應用到汽車中。除應用在電動汽車行業中外，空氣電池還可以應用於固定能源應用，如醫院、數據中心用商業應急發電機，通用發電機以及可移動房屋、無人駕駛汽車等國防應用等。

換下來的電池經分解後可以循環利用，無毒無害。

鋁空氣電池也有不足之處：

雖然它含有高的比能量，但比功率較低，
充電和放電速度比較緩慢，電壓滯後，自放電率較大。
需要採用熱管理系統來防止鋁空氣電池工作時的過熱。
空氣電極開始一段時間性能很好，但是放電一段時間後性能會急劇下降。放電後段內阻增大。
鋁空電池中陽極的自腐蝕（即陽極的析氫）。鋁空氣電池在放電過程中陽極腐蝕會產生氫，這不僅會導致陽極材料的過度消耗，而且還會增加電池內部的電學損耗，因而嚴重阻礙了鋁-空氣電池的商業化進程。以往解決以上問題的方法主要是將高純度金屬鋁中摻雜特定的合金元素以提高金屬鋁陽極耐腐蝕性，或者在電解質中添加腐蝕抑製劑。Phinergy公司方面表示，已開發出一種金屬鋁陽極專有生產工藝，該工藝可以提高金屬鋁的能量利用，並降低不必要的化學反應能量消耗。
Phinergy鋁空氣電池的空氣陰極配備有專用的銀基催化劑，價格較高。
製造鋁用氧化鋁融鹽電解法，能量轉化效率低，導致價格較高。電解鋁的生產成本構成中，電力成本約佔40%，生產一噸電解鋁平均1.38萬度電，電解鋁的用電成本大約在0.4元左右。

在鋁土礦和火電資源充沛的山西也許有優勢。在太陽能、風電和水電資源充沛的省份也有優勢。

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有研究鋁空氣電池的嗎？

寫一個上課時老師給我們講的例子，切入點挺獨特的。

由於教授他是從冶金學科跨界來電池材料，遇到這種電池他都會算一下能量轉化效率

就是鋁空氣電池放電然後是氧化鋁電解成鋁板得出的結論是能量轉化效率太低（學冶金的可以自己算一下，每度電的使用成本特別高），經濟性不好不適合電動汽車使用

下一個觀點也挺獨特的。

哪怕這樣的電池技術問題和經濟性可以，也很難商業化到電動汽車領域。由於這種電池的比功率很小，還不穩定，所以他不可能直接單獨驅動電動汽車，做出了的汽車有插電式混合動力的感覺。

並不是換了一塊鋁板電動車就可以走，你要等著它反應，給車載鋰電池充電，這個充電速度要慢於用快速充電站充電。也就是說你還是要等待。

恩，等待中。

最後，他參觀了幾個國內做這類電池的企業，唯一商業化的是把鋁空氣一次電池用于海島等地方的分散式儲能。用完就換一塊，挺方便的，也不用擔心價格貴

功率密度低，空氣電極壽命差，嗯，還有一定道理。

再生能耗高怎麼說？鋁的再生能耗高，為什麼不用鋅呢？當然鋅的能量密度比鋁差不少，但目前還是秒鋰電池的。工業品並不是要選指標最漂亮的材料，而是要選那些成體系後，性價比最好的材料。畢竟工業品不完全等同於實驗室成果，是要考慮一整套體系的。

但這也不是說鋁就沒機會了，如果離子液體電解技術能有所突破，鋁就到了翻身的時候。我倒是覺得鋰空電池不太靠譜，對工藝控制的要求太高了，性價比低。

其實我一直看好金屬空氣電池。其所謂的一些短板，應該是可以通過工程設計和商業模式設計來規避的。只是沒人想過這些問題，也沒人好好試過。

只考慮一次電池的話，那麼根本無法與燃料電池相競爭

或許在航天等領域有應用