福姆能源公司的電池系統(tǒng)（藝術圖）。圖片來源：福姆能源公司官網(wǎng)

空氣電池優(yōu)點多多

空氣電池是新一代蓄電池，其正極材料可以吸收空氣中的氧，負極使用金屬（如鋰）等材料。放電時，金屬離子從負極向正極移動，與從空氣中吸收的氧發(fā)生反應而產(chǎn)生電；在充電過程中，金屬離子與氧分離并從正極移動到負極。

由于負極使用的材料主要是便宜的鐵（銹）和鋅，所以制造成本低，而正極幾乎不需要容積，這就使得電池不僅重量輕，而且鋰含量高，可以增加蓄電容量。

由于不能做得很小，空氣電池大多用在容易確保較大安裝空間的地方，如風能和太陽能等可再生能源儲電，以推進脫碳。聯(lián)合國秘書長安東尼奧·古特雷斯曾表示，為了能在21世紀中葉實現(xiàn)碳中和，大約到2030年太陽能和風能的存量需要增加1倍，因此，非常需要一種能更長期、更大量存儲清潔能源的技術，空氣電池被寄予厚望。

此外，空氣電池的電極材料價格便宜，制造成本有可能降到鋰離子電池的1/10以下。斯坦福大學土木與環(huán)境工程教授馬克·雅各布森指出，鋰離子電池的成本為每千瓦時100—200美元。

斯坦福大學商學院教授斯特凡·雷切爾斯坦則表示：“如果鐵可以替代鈷、鎳和鋰等昂貴的貴金屬，那么空氣電池有明顯的經(jīng)濟潛力。”

多家企業(yè)競相研制

空氣電池的這些優(yōu)點讓很多企業(yè)競相投入。據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，今年2月，美國福姆能源公司宣布，將向佐治亞州的電力公司提供其獨立研發(fā)的由鐵和氧驅動的“鐵空氣電池”。

福姆能源公司稱，這款鐵空氣電池能儲存電力100小時以上，量產(chǎn)時的制造成本將不足每千瓦時20美元，不到鋰離子電池制造成本的1/10。且由于使用不能燃燒的電解質，這種電池安全性很高。美國卡內(nèi)基-梅隆大學2021年8月發(fā)布的制造成本估算數(shù)據(jù)也顯示，鐵空氣電池成本約為每千瓦時25美元。

比爾·蓋茨也在自己的博客中寫道，（福姆能源）正在“創(chuàng)造一種新型電池，能以比鋰離子電池更低的成本長時間儲電”。

無獨有偶，日本初創(chuàng)公司科尼克斯系統(tǒng)公司也在研發(fā)一種結合氫氧燃料電池技術的新型鐵空氣電池。公司設想將材料成本降至常規(guī)成本的1/10以下，擬于2025年發(fā)售，用于可再生能源儲電領域。

加拿大初創(chuàng)企業(yè)鋅8能源解決方案公司則另辟蹊徑，正在研發(fā)使用鋅材料的“鋅空氣電池”。據(jù)稱，鋅空氣電池的容量往往高于鐵空氣電池，該公司的制造成本為每千瓦時45美元，不到鋰離子電池的1/4。該公司將于2022年秋季開始，在紐約市建造一個1.5兆瓦時的設施，為公寓樓供電。

據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，日本FDK公司正在研發(fā)“氫空氣電池”，這種電池負極使用儲氫合金，通過讓氫與從正極吸入的氧發(fā)生反應產(chǎn)生電能。由于電解液不具有可燃性，電池的安全性較高。公司計劃2023年向電力公司等機構提供樣品。

此外，從重量來說，主要材料采用樹脂的“全樹脂電池”也頗具前景——日本APB公司開發(fā)的新型“鋰空氣電池”比同類鋰電池輕20%，計劃向無人潛水艇供電。

技術難題有待攻克

盡管科學家們正在研制多款空氣電池，但其要想真正“大顯身手”，仍有不少技術難題有待攻克。

首先，氧很難從氧化物團中分離出來，金屬鋰則有很高的起火和產(chǎn)熱風險，使用鋰的空氣電池在使用過程中負極會變形，容易引起短路。韓國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(qū)域的老化，用有機材料代替陶瓷，由此充放電的次數(shù)從不到10次增加到了100次，雖然仍達不到鋰離子電池的4000次充放電次數(shù)，但已算不小的進步。

此外，鐵空氣電池等并不能完全代替鋰電池，因為它們太重太大，并不能用在手機、電腦和新能源汽車上。不過，科學家們表示，更輕的空氣電池的研發(fā)正在取得進展，其應用范圍也將進一步擴大。