锌空气电池是否比锂电池好?

锌空气电池,空气中的氧作为正极活性物质,以锌为负极,以氯化铵或苛性碱溶液为电解质。

锌空气电池是否比锂电池好?

负极:

锌+2OH–→ZnO+H2O+2e–

正极:

O2+2H2O+4e–→4OH–

综合:

2Zn+O2→2ZnO

不仅是锌空气电池研究得过奖,基本四大金属空气电池都得各种各样的大奖。

铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池。

按照原理来说,金属空气电池都是以金属为材料,与氧气(空气)发生氧化还原反应,从而生产电能的一种燃料电池。用通俗的话讲,就是金属负极当能量源,正极吸入空气当转换能量的工具。

现在主流锂动力电池的正极材料有三元和磷酸铁锂材料,负极有石墨等碳基材料,两者加起来成本占整个电芯的一大半。

而以锌空气电池为例,锌作为负极,不是贵重金属,全球资源丰富(中国存储量第一),物美价廉,而正极材料不要钱,消耗空气中的氧气。

锌空气电池是否比锂电池好?

金属空气电池的优点:

1.电池能量密度高,锌空气电池的理论能量密度达到了约1350wh/kg在某些领域应用中的能量密度已经达到了200-300wh/kg这个实际已经接近了三元锂电池能量密度的极限理论值。

2.安全、环保性好。金属锌没有毒性,电池内的其他成分也没有易燃性。这就使得即便锌空气电池内部短路,电解液泄露(有腐蚀性)后不会燃烧或者爆炸,电池的产物氧化锌对环境也基本无污染无伤害。

3.性能稳定,放电曲线平稳。正负极的氧化还原反应不剧烈,电压放电时候的变化小,在1.3V电压的环境下会出现一个较长时间的放电平台。

4.正负极成本低,一边是空气,一边是锌。国内的锌储存已探明产量是全球第一,而其他国家的锌储量也不低,这就使得锌的成本较其他金属更低,这也使得无论是开采还是生产,都能低成本运作。特别是对比锂电池,无论是三元锂电池里面的钴还是碳酸锂/氢氧化锂材料均是数倍甚至10倍于锌材料。

但为什么金属空气电池有这么多优点,为啥现阶段是锂电池风靡全球,而锌电池还是只能做小型(微型)的商用呢,比如助听器的电池。

其中一个重要原因就是锂动力电池可以充电,电耗光了找个充电口一插,过一两个小时就能满血复活。

锌空气电池是否比锂电池好?

充电时,正极上的锂原子失去电子,被氧化成了锂离子(脱嵌),然后在电解液中运动,跑到了负极,与流经外部电源的电子互相结合,又还原成了锂原子,嵌入到了负极碳层的微孔中。

放电时,就是相反的一个过程,镶嵌在负极碳层中的锂原子,失去了电子,被氧化成了锂离子,回到电解液中,运动到了正极,与流经负载的电子结合,再度还原成了锂原子(嵌入)。

所以,充放电过程中,锂离子在正负极材料之间往返脱嵌,这种电池又被形象地称为“摇椅电池。”

而传统的锌空气电池,锌变成氧化锌,释放电量,属于是单行道,一次性买卖,只能放电不可充电,属于一次性电池。锌全部消耗光了后,锌空气电池就没电了,就必须要打开电池,更换锌(补充电解液),才能重新放电。

锌空气电池是否比锂电池好?

因为这个原因,导致了现在的锌空气电池的尴尬,虽然装载在汽车上面,可以让汽车跑几百公里。但是锌氧化完了就完了,不能像锂动力电池那样插上去充电。

要么换整块锌空气电池包,要么现场把电池包拖出来,换锌(补充电解液),再装载到汽车上面。

锌空气电池是否比锂电池好?

有句老话不知当不当讲,豆腐盘成肉价,基本就是指的这个过程,虽然锌空气电池原理简单,原料便宜,造价比锂动力电池便宜一半,但也经不住每跑两三百公里就得换电池所造成的时间成本和人力成本浪费啊。

另外锌空气电池还有先天性的难题,就是气密性极差。因为锌空气电池的放电原理是依托空气中的氧气和锌反应,所以电池不仅不能密封,电池外壳还得留有多个气孔供空气进入(对通风要求高),无论是二氧化碳进入电解液产生碳酸化还是水气进入电池使得电解液稀释(或者高温下电解液的水分迅速蒸发),都会严重影响到电池本身的放电能效。

锌空气电池是否比锂电池好?

而这一点也带来了另一个区域性问题,那就是低氧环境不能去,因为会造成反应减弱,动力下降。

另外,锌空气电池能量密度高,但比功率很低,原因有很多。

一个是空气扩散电极催化剂的原因,一个是因为现在锌粒架构使得电池内阻在运动状态会变大,车辆的振动导致了锌粒之间的接触电阻变大。

这个锌空气电池的特性,电容量大,但有电放不出来,和之前我回答里面讲的超级电容的特性恰好相反。超级电容就是电池能量密度低,但是比功率高,放电贼猛。

为什么电动小轿车不采用超级电容代替锂电池呢?为什么大型公交车就可以采用超级电容作为能量容器呢?

而锌空气电池的功率偏低,会使得车辆在需要高功率输出的时候疲软,比如加速、爬坡这个时候需要大功率放电了,它还是会不紧不慢地发生氧化反应,平地80公里时速就是给你面子了,至于超车,劝你还是安全驾驶……

另外锌空气电池因为是强腐蚀性的电解液(强碱性)外加气孔的搭配,在汽车震动的时候(无法避免),电解液有极大的可能会渗漏出来腐蚀壳体。而一旦外壳的绝缘体破损,电是会漏出来的……一个是电量会跑着跑着迅速下降,另一个也造成了换电时候的危险……

最后说下,锌空气电池的可循环方案,就是要解决锌的氧化不可逆现象。

2021年1.月,锌空气电池相关的首篇《科学》发表。

锌空气电池是否比锂电池好?

相关放在了参考资料里,解析得很详细,这里就不多复述了,有兴趣可以看下。

接下来,2021年9月,美国EOS储能公司声称开发的锌空气电池可实现2700次循环充放电。采用改进电解液化学性质和电池设计来延长电池寿命。他们的小试证明,一个0.3千瓦的电池可以实现2700次充放电没有性能衰减。其最终目标是实现1.万次循环,产品在电网储能中维持30年寿命。

所以说不定10年后,金属空气电池替换锂动力电池,作为家用汽车出行的动力,也不是没有可能的。

(图片来源网络,侵删!)

参考资料:

1.锌空电池首篇《科学》非碱性可充电锌空电池!可在空气中稳定循环1600小时

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:将线路接口单元

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