特斯拉成功申请多项专利 金属空气电池能否终结“续航焦虑”?

在成功申请混合动力系统专利后，特斯拉最近获得了金属空气电池充电技术专利。业内人士认为，如果这项技术实用，将进一步提高电动汽车的续航里程。

人们可能不熟悉金属空气电池。它们不像锂离子电池那样在新能源汽车领域发挥着受欢迎的作用，但金属空气电池确实有很大的潜力。一旦商业化，它们足以让四个人大吃一惊。早在2014年，加拿大美铝公司和以色列Phenergy公司就在蒙特利尔向公众展示了具有超强续航能力的铝空气电池技术。这种电池寿命高达3000公里至3000公里的金属电池的概念是什么？从北京到海南，一直向南，不需要收费！

既然金属空气电池如此神奇，那么电动汽车的电池寿命能否得到解决？电池中国网对金属空气电池进行了全景扫描。我希望这些信息对每个人都有帮助。

金属空气电池种类繁多，目前取得研究进展的金属空气电池主要包括铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池和镁空气电池。

1.铝空气电池

工作原理：铝空气电池以高纯度铝铝（含99.99%铝）为阳极，氧气为阴极，氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝吸收空气中的氧气，当电池放电时，氧气会产生化学反应，铝和氧气会反应转化为氧化铝。

优点：铝空气电池无、无害、无污染、可回收等。对于电动汽车来说，铝空气电池还具有电池重量轻、比能大、不依赖电网充电的优点，可以明显减轻车辆重量，增加车辆续航里程。根据行业数据，铝空气电池的理论比能可达8100Wh/kg，目前实际比能约为350Wh/kg。

缺点：比功率低，放电速度慢；电压滞后；自放电率大；需要一个热管理系统来防止铝空气电池在工作时过热。阳极腐蚀会在放电过程中产生氢气，这将导致阳极材料的过度消耗，并增加电池内部的电损耗。

开发和应用进展

国外：在美国加利福尼亚州，有记录表明，使用铝空气电池的电动汽车只更换了一次铝电极，续航里程达到1600公里。2014年，加拿大美铝公司和以色列Phenergy公司展出了续航里程3000公里的铝空气电池，一度引起轰动。

国内：2015年8月，有限公司有限公司与昆明冶金研究院成立创能公司，落地10MW铝空气电池生产线；2015年，中国电力与PHINERGY成立合资公司，计划在公交车、客车、物流车和运动型多用途车等电动汽车中推广铝空气电池；有限公司拥有完整的铝空气电池核心技术，从阳极材料技术到电池热管理和铝空气电池管理系统，并开发了不同功率等级的铝空气蓄电池模块，如100W~5000W；目前，德阳东神新能源公司研发制造的铝空气金属燃料发电电池已正式量产，这是铝空气电池首次在全国范围内实现产业化和商业化。

2.锌空气电池

工作原理：锌空气电池又称锌氧电池，是以吸收空气中氧气或纯氧的活性炭为正极活性物质，锌为阳极，氯化铵或碱液为电解液的一次电池。

优点：比能量高，最高可达340Wh/kg；重量为锂电池的50%；续航里程为锂电池的200%；

安全、稳定的放电性能和低成本。

缺点：电池容易爬碱和漏电，电解液容易因蒸发而干涸，电解液容易由于外部CO2的进入而碳酸化，锌电极容易腐蚀并导致自放电。这些将严重影响锌空气电池的性能和质量。

开发和应用进展

国外：2015年8月，加拿大滑铁卢大学“锌空气电池第一人”陈忠伟博士的研究团队使用硅电极制备了锌空气电池的能量密度，其密度在原来的基础上增加了40%。

国内：2011年，中国第一辆锌空气电动客车正式上市。该型纯电动城市公交车连续行驶里程300公里，最高时速80公里，运营成本比传统锂电池电动汽车低1/3。2014年11月，《电动汽车锌空气电池行业标准》正式实施，该标准涵盖了电动汽车锌-空气电池的要求和测试方法。2015年，天津九能京通公司锌空气燃料电池项目被列为天津市重大产业项目，并通过了国家863动力电池测试中心的产品检验鉴定，形成了年产5万套新能源汽车锌空气燃料细胞的生产能力，并已投入商业运营。

3.锂空气电池

工作原理：锂空气电池以锂为阳极，空气中的氧气为阴极。在放电过程中，阳极中的锂释放电子并成为锂阳离子（Li）。Li穿过电解质材料，并在阴极处与氧和从外部电路流出的电子结合，以产生留在阴极处的氧化锂（Li2O）或过氧化锂（Li2O3）。

优点：理论上，它的容量大，可以提供相当于汽油的能量，而且电池相对较轻和较小。

缺点：成本高，作为动力电池，续航里程不高。

开发和应用进展

国外：2009年，日本研究机构开发了一种新型大容量锂空气电池；2015年，英国剑桥大学研发的锂空气电池可再充电2000多次，电池理论能效超过90%；目前，美国IBM Almaden研究中心正在进行锂空气电池的研究，朝日株式会社有限公司和中央硝酸盐有限公司两家公司参与了该项目。研究团队计划到2020年实现锂空气电池的量产和普及。

国内：由中国科学院长春英华研究所研究员张新波领导的研究团队通过抑制电解质的分解，成功地将锂空气电池的循环寿命从报道的最长的100次提高到500次，调节空气电极的固液气三相界面，优化锂空气二次电池的系统和结构。但目前，锂空气电池只能在实验室进行充放电，尚未大规模商业化。

4.镁空气电池

工作原理：通过空气中的氧气和金属镁之间的化学反应，产生电能。

优点：储存寿命可达10年以上；在大多数情况下可以临时使用，通过加水或海水活化，活化后半小时内即可使用；工作电压非常稳定。

缺点：镁阳极的反应效率低，空气阴极的反应速度慢。尽管这种电池可以储存大量能量，但将能量转换为实际功率是非常有限的。

开发和应用进展

国外：一辆配备韩国研发的完整镁空气电池的电动汽车可以成功行驶800公里，是目前锂电池动力汽车平均巡航里程的四倍；日本多家机构，包括古河电池、尼康、日产汽车、东北大学、宫城县等，都在积极推进大容量镁空气电池的研究；

日本阿瓜电力公司已成功开发、制造和商业化镁空气电池，并已注册十多项专利。

国内：2015年，宁波材料学院动力锂电池工程实验室成功研制出1000Wh镁空气电池样机，重量2.3公斤，能量密度430瓦时/公斤，最大输出功率80W；2016年7月，南开大学电子信息与光学工程学院的王伟超教授和美国休斯顿大学的姚岩教授共同研究了锰基莫来石作为催化剂在镁空气电池中的应用，大大降低了成本，可以在中性电解液中稳定工作。其优异的催化活性大大提高了镁空气电池的效率。

查看上述信息，我们可以发现，在金属空气电池中，铝空气电池和锌空气电池已经开始大规模生产，镁空气电池在日本已经小规模生产，而锂空气电池仍处于实验室研究阶段，远未实现商业化。铝-空气电池的特性导致锌-空气电池阳极材料的过度消耗、电解液的瓶颈和电极自放电问题，极大地阻碍了其大规模商业化进程。如果金属空气电池不能大规模商业化，其续航优势就无法惠及消费者。对于人们的续航焦虑，金属空气电池只能是一个潜在的解决方案。要想大面积解决续航焦虑的问题，专注于现有的动力锂离子电池可能更实用。在成功申请混合动力系统专利后，特斯拉最近获得了金属空气电池充电技术专利。业内人士认为，如果这项技术实用，将进一步提高电动汽车的续航里程。

人们可能不熟悉金属空气电池。它们不像锂离子电池那样在新能源汽车领域发挥着受欢迎的作用，但金属空气电池确实有很大的潜力。一旦商业化，它们足以让四个人大吃一惊。早在2014年，加拿大美铝公司和以色列Phenergy公司就在蒙特利尔向公众展示了具有超强续航能力的铝空气电池技术。这种电池寿命高达3000公里至3000公里的金属电池的概念是什么？从北京到海南，一直向南，不需要收费！

既然金属空气电池如此神奇，那么电动汽车的电池寿命能否得到解决？电池中国网对金属空气电池进行了全景扫描。我希望这些信息对每个人都有帮助。

金属空气电池种类繁多，目前取得研究进展的金属空气电池主要包括铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池和镁空气电池。

1.铝空气电池

工作原理：铝空气电池以高纯度铝铝（含99.99%铝）为阳极，氧气为阴极，氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝吸收空气中的氧气，当电池放电时，氧气会产生化学反应，铝和氧气会反应转化为氧化铝。

优点：铝空气电池无、无害、无污染、可回收等。对于电动汽车来说，铝空气电池还具有电池重量轻、比能大、不依赖电网充电的优点，可以明显减轻车辆重量，增加车辆续航里程。根据行业数据，铝空气电池的理论比能可达8100Wh/kg，目前实际比能约为350Wh/kg。

缺点：比功率低，放电速度慢；电压滞后；自放电率大；需要一个热管理系统来防止铝空气电池在工作时过热。阳极腐蚀会在放电过程中产生氢气，这将导致阳极材料的过度消耗，并增加电池内部的电损耗。

开发和应用进展

国外：在美国加利福尼亚州，有记录表明，使用铝空气电池的电动汽车只更换了一次铝电极，续航里程达到1600公里。2014年，加拿大美铝公司和以色列Phenergy公司展出了续航里程3000公里的铝空气电池，一度引起轰动。

国内：2015年8月，有限公司有限公司与昆明冶金研究院成立创能公司，落地10MW铝空气电池生产线；2015年，中国电力与PHINERGY成立合资公司，计划在公交车、客车、物流车和运动型多用途车等电动汽车中推广铝空气电池；有限公司拥有完整的铝空气电池核心技术，从阳极材料技术到电池热管理和铝空气电池管理系统，并开发了不同功率等级的铝空气蓄电池模块，如100W~5000W；目前，德阳东神新能源公司研发制造的铝空气金属燃料发电电池已正式量产，这是铝空气电池首次在全国范围内实现产业化和商业化。

2.锌空气电池

工作原理：锌空气电池又称锌氧电池，是以吸收空气中氧气或纯氧的活性炭为正极活性物质，锌为阳极，氯化铵或碱液为电解液的一次电池。

优点：比能量高，最高可达340Wh/kg；重量为锂电池的50%；续航里程为锂电池的200%；

安全、稳定的放电性能和低成本。

缺点：电池容易爬碱和漏电，电解液容易因蒸发而干涸，电解液容易由于外部CO2的进入而碳酸化，锌电极容易腐蚀并导致自放电。这些将严重影响锌空气电池的性能和质量。

开发和应用进展

国外：2015年8月，加拿大滑铁卢大学“锌空气电池第一人”陈忠伟博士的研究团队使用硅电极制备了锌空气电池的能量密度，其密度在原来的基础上增加了40%。

国内：2011年，中国第一辆锌空气电动客车正式上市。该型纯电动城市公交车连续行驶里程300公里，最高时速80公里，运营成本比传统锂电池电动汽车低1/3。2014年11月，《电动汽车锌空气电池行业标准》正式实施，该标准涵盖了电动汽车锌-空气电池的要求和测试方法。2015年，天津九能京通公司锌空气燃料电池项目被列为天津市重大产业项目，并通过了国家863动力电池测试中心的产品检验鉴定，形成了年产5万套新能源汽车锌空气燃料细胞的生产能力，并已投入商业运营。

3.锂空气电池

工作原理：锂空气电池以锂为阳极，空气中的氧气为阴极。在放电过程中，阳极中的锂释放电子并成为锂阳离子（Li）。Li穿过电解质材料，并在阴极处与氧和从外部电路流出的电子结合，以产生留在阴极处的氧化锂（Li2O）或过氧化锂（Li2O3）。

优点：理论上，它的容量大，可以提供相当于汽油的能量，而且电池相对较轻和较小。

缺点：成本高，作为动力电池，续航里程不高。

开发和应用进展

国外：2009年，日本研究机构开发了一种新型大容量锂空气电池；2015年，英国剑桥大学研发的锂空气电池可再充电2000多次，电池理论能效超过90%；目前，美国IBM Almaden研究中心正在进行锂空气电池的研究，朝日株式会社有限公司和中央硝酸盐有限公司两家公司参与了该项目。研究团队计划到2020年实现锂空气电池的量产和普及。

国内：由中国科学院长春英华研究所研究员张新波领导的研究团队通过抑制电解质的分解，成功地将锂空气电池的循环寿命从报道的最长的100次提高到500次，调节空气电极的固液气三相界面，优化锂空气二次电池的系统和结构。但目前，锂空气电池只能在实验室进行充放电，尚未大规模商业化。

4.镁空气电池

工作原理：通过空气中的氧气和金属镁之间的化学反应，产生电能。

优点：储存寿命可达10年以上；在大多数情况下可以临时使用，通过加水或海水活化，活化后半小时内即可使用；工作电压非常稳定。

缺点：镁阳极的反应效率低，空气阴极的反应速度慢。尽管这种电池可以储存大量能量，但将能量转换为实际功率是非常有限的。

开发和应用进展

国外：一辆配备韩国研发的完整镁空气电池的电动汽车可以成功行驶800公里，是目前锂电池动力汽车平均巡航里程的四倍；日本多家机构，包括古河电池、尼康、日产汽车、东北大学、宫城县等，都在积极推进大容量镁空气电池的研究；

日本阿瓜电力公司已成功开发、制造和商业化镁空气电池，并已注册十多项专利。

国内：2015年，宁波材料学院动力锂电池工程实验室成功研制出1000Wh镁空气电池样机，重量2.3公斤，能量密度430瓦时/公斤，最大输出功率80W；2016年7月，南开大学电子信息与光学工程学院的王伟超教授和美国休斯顿大学的姚岩教授共同研究了锰基莫来石作为催化剂在镁空气电池中的应用，大大降低了成本，可以在中性电解液中稳定工作。其优异的催化活性大大提高了镁空气电池的效率。

查看上述信息，我们可以发现，在金属空气电池中，铝空气电池和锌空气电池已经开始大规模生产，镁空气电池在日本已经小规模生产，而锂空气电池仍处于实验室研究阶段，远未实现商业化。铝-空气电池的特性导致锌-空气电池阳极材料的过度消耗、电解液的瓶颈和电极自放电问题，极大地阻碍了其大规模商业化进程。如果金属空气电池不能大规模商业化，其续航优势就无法惠及消费者。对于人们的续航焦虑，金属空气电池只能是一个潜在的解决方案。要想大面积解决续航焦虑的问题，专注于现有的动力锂离子电池可能更实用。

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