详解锌空气电池的原材料常及能量密度
来源：宝鄂实业
2019-05-07 13:15
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但充电困难一直桎梏着其发展。如今，科研人员研制出高性能和低成本催化剂，将打破这一瓶颈，使锌空气电池具有优异的充电性能，扩大其应用范围。
上述研究于当地时间8月14日发表在国际学术杂志《先进材料》（AdvancedMaterials）。科研人员来自澳大利亚悉尼大学和新加坡南洋理工大学的科研团队。该论文的通讯作者悉尼大学化学和生物分子工程学院的教授陈元称，“迄今为止，可充电的锌空气电池所用的都是昂贵的贵金属催化剂，比如铂和氧化铱制成。相比之下，我们的方法生产出的是一系列高性能和低成本的催化剂。”
可充电锌空气电池来自悉尼大学官网
锌空气电池是金属空气电池的一种，是以空气中的氧为正极活性物质，金属锌为负极活性物质，碱性溶液为电解液，将化学能转变为电能的装置。因为锌是自然界中资源分布较广的金属元素，所以其在电极材料的成本上要远低于锂离子电池。此外，悉尼大学的新闻稿称，锌空气电池可以储存更多的能量，理论上其储电量是锂离子电池的5倍。更重要的是，锌空气电池也更安全、更环保。
锂离子电池很轻便，供电效率高，但其含有增压的、可燃的材料，一旦内部发生短路，就会产生非常严重的后果。据外媒报道，锂离子电池被证明是三星GalaxyNote7智能手机去年爆炸起火的元凶。三星后来调查发现，其手机电池供应商SamsungSDI和ATL的锂离子电池都存在缺陷，这种缺陷会导致内部短路，从而引起爆炸起火。
全球产能飙升
锂电池的基本原理很容易理解。当电池给一个电位充电时，就会把锂离子拉入石墨电极深处。使用的过程中，这些锂离子又会通过液体电解质返回由锂和其他金属组成的化合物制成的更复杂的电极——阴极。
但另一方面，电池业务的基本运营模式却很不透明，主要是因为供应商过于重视保密，以及身为市场领头羊的亚洲巨头变换莫测的经济状况。
过去几年的情况显示，所有大型厂商都在增加产能，部分原因在于这样可以压低单位成本。作为电池的基础组成部分，锂电芯2010年成本超过每kWh1000美元，去年降到130至200美元之间。通用汽车表示，该公司为Bolt采购60kWh电池组时，向LG化学支付的电芯价格为每kWh145美元（由于要考虑劳动力、材料和电子元件费用，所以电池组的价格高于电芯成本的总和）。
特斯拉表示，Model3的电芯价格更便宜。低成本并非唯一的改进之处。大量的研发投资已经实现了更高的能量密度（每千克容量有所提升）和更强的耐用性（充放电循环有所增加）。Bolt的电池质保期长达8年。
但通过这种方式降价不仅能生产价格更便宜、质量更好的电池，还会导致严重的产能过剩。CairnERA去年估计，锂电池产能较需求高出三分之一。该机构和BNEF都表示，每生产一块汽车电池，电池厂商要么亏损，要么只能赚取微利。
尽管供过于求，但他们都计划继续扩张，一定程度上是为了进一步压低成本。杰夫解释称，这种思维属于“传统的亚洲巨头模式”：通过牺牲利润率来换取市场份额。
由于电动汽车短期内前景明朗，这似乎是一项不错的战略。但现在来看，这似乎令人有些紧张不安。尽管杰夫认为，电动汽车和储电设施的需求增长可以支撑这种高速扩张，但他现在也认为，“这像是一场没有黄金的淘金热。”
但其中的确包含其他一些有价值的金属。要生产更多电池，就需要更多的锂，以及其他多种金属，包括用于制造阴极的钴。这些金属大约占到电芯成本的60%。对于电池厂商来说，确保这些材料的持续供应与掌握电化学技术一样重要。
自从2015年以来，咨询公司BenchmarkMineralIntelligence的西蒙˙莫尔斯（SimonMoores）表示，锂价格已经上涨3倍，钴价格也上涨一倍，阴极使用的含镍化学品价格同样也在上涨。
莫尔斯表示，寻找新的锂供应源并不困难，全世界的锂储量至少为2.1亿吨，而当前的年产量仅为18万吨。新的锂矿正在逐渐开采。全球最大锂生产商智利SQM今年7月宣布将在西澳大利亚投资1.1亿美元，组建一家锂合资公司。
钴的情况更加棘手。不仅供应匮乏，而且有很多都来自刚果民主共和国。这一地区既存在道德问题（需要依靠童工生产），还面临商业问题（没人愿意依靠军阀获取重要资源）。LG化学曾经表示，该公司正尝试减少电芯中的钴元素使用量，同时继续提升性能。今后，从废旧电池中回收这种金属将提升整个行业的可持续发展程度。
厂商之所以在原材料价格上涨的情况下依然满怀信心地扩大产能，原因之一在于锂电池目前几乎没有对手。经常有其他电池技术号称从原理上拥有更大的优势——但却没有一种技术能像锂电池这样，通过几十年的发展，从单纯的创意变成一项主导型技术。整个过程催生了大量配套技术，包括精细制造、电解质选择甚至更加复杂的金属阴极纳米技术。
美国阴极材料供应商CAMXPower负责人凯南˙萨辛（KenanSahin）表示，锂电池的成本和重量、反复充放电的循环次数、耐用性和安全性都是通过无数的调整得以实现的，并非一朝一夕可以做到。
他将电池化学比作制药行业的药物发现过程。“真的很难。无论你想成规模地做成什么事情，都必须接受相应的副作用。”他说。这是潜在的篡权者难以模仿的。在可预见的未来，不断进步的锂电池技术——可能使用新的固态电极——都将继续领先，并因为它所支持的应用模式继续增多而不断获益。
直到现在，最主流的还是圆柱形的18650电芯。它长约65毫米，直径18毫米，能量密度大约为每千克250Wh。（作为对比，汽油的能量密度大约高出50倍，但电芯可以存储成百上千倍的能量。）
特斯拉和松下目前正在开发2170电芯，比18650略长、略宽。马斯克表示，这将成为市场上密度最高的电池。该公司表示，7月末交付的Model3的驾驶成本与之前任何一种车型相比都下降一半。在这款车的发布会上，马斯克关于明年实现50万辆产能的声明令人颇感敬畏。“欢迎来到生产地狱。”他对组装线工人说。
特斯拉8月7日宣布发行价值15亿美元的债券，以支持该公司的扩张计划，给股票市场带来了急需的喘息机会——该公司经常通过股市融资，其股价也在过去一年上涨三分之二。
该公司曾经表示，他们已经收到45.5万辆Model3预售订单，这可以在年底前产生足够的现金流，从而巩固其财务状况。如果一切照计划进行，马斯克希望超级工厂成为全世界最大的建筑，每年产能达到100GWh。该公司还有可能在其他地方建设超级工厂，下一个可能就会落户中国。
所有的举措都认为电动汽车必将繁荣发展。这类产品无疑在变得更好、更便宜。但还有一些因素对它的实用性形成制约，最显著的便是充电。在英国，43%的车主没有路边停车位，因此也就不能在家里给汽车充电。而使用11kW的充电器对90kWh的电池充电6个小时，便有可能烧断保险丝。
快速充电站是一种解决方案，这是一种类似于加油站的地方。有的汽车公司已经开始通过建设这样的设施来缓解电动车主特有的“里程焦虑”。但这种设施的扩张速度能否对整个行业的野心形成支持，目前还有待观察。
正是由于电动汽车使用量的增长速度存在不确定性，才让储电设施成为了电池制造商的一个有吸引力的选择。圣迭戈煤气和电力公司（SDGE）最近在圣迭戈市郊的一个车位上建造的这样一个设施并不像新车发布那样光鲜亮丽。那其实是一个伪装成拖车公园的汽车电池，内有38.4万个电芯。这大概是有史以来最迟钝的变形金刚了。
但SDGECOO卡洛琳?维恩（CarolineWinn）表示，平凡正是它的魅力所在。这个设施的目的是在用电高峰提供电力。模块化的建筑使得这个120MWh的设施——规模略小于特斯拉承诺在南澳大利亚建设的设施——从开工建设到投入使用只用了短短8个月。它的噪音很小，几乎听不到。
如果通过燃气涡轮来做同样的工作，成本虽然可以降低，但却需要耗费数年时间，而且根本不可能获得当地居民的同意。维恩还表示，这个电池设施“比燃气涡轮漂亮多了”。
