摘要：分析国内外纯电动汽车车用锌空气电池发展的现状，阐述锌空气电池的主要特点、基本原理级构造。从提高锌空气电池特性着眼，对空气电极、锌电极的研究进行了分析，并对其发展进行了展望。
关键词：纯电动汽车；锌空气电池；空气电极；锌电极
【Abstract】The current status of Zn-air battery applied in electric vehicle is analyzed，introduce key characteristics，basic principle and constitution of Zn-air battery.Focus on improving Zn-air battery performance，analysis air electrode and Zn electrode，as well as give the expectation on Zn-air battery development.
0 引言
伴随着人类出行方式的变化，汽车在给大家带来生活便利的同时，也带来了许多的负面影响，比如环境污染、能源消耗等问题。车辆尾气排放作为环境污染源之一，给人类居住环境和整个生态系统带来了比较严重的负担。随着全社会环保及可持续发展意识的提高，各个国家都制订出了越来越严格的车辆排放标准和经济性指标，对汽车生产企业提出了更高的创新要求，新能源汽车作为我国十三五国家重点扶持发展的产业，已经得到政府和广大汽车厂家的重视和大量投入，并上升到了国家可持续发展战略，这势必为新能源汽车的研制和制造提供新的动力，特别是纯电动汽车的开发。纯电动汽车中所使用的车用电池，也是我们俗称的动力电池，是影响电动汽车整车性能的关键零部件系统之一，同时也是制约纯电动车发展的关键技术。随着2016年《电动汽车用锌空气电池行业标准》的出台，锌空气电池开始正式走入大众视野。
1 锌空气电池的现状及原理
1.1锌空气电池的主要特点
随着新能源汽车的出现，各种化学能源的动力电池已经得到了广泛的运用和发展，比如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池、铝空气电池等。
锌空气电池作为一种清洁能源，具有以下的优点：
1.资源储量丰富：锌是自然界中资源发布较广的金属元素，仅次于铁、铝、铜，全球锌矿资源储量约为23000万吨，我国锌资源丰富，地质储量约为4300万吨，占全球储量的18.7%；
2.能量密度高：由于正极活性物质来自电池外部，无需占用电池的空间，在相同体积、重量的情况下，锌空气电池内可以装入更多的负极活性物质，使得锌空气电池比普通电池的容量高出很多；
3.容量大：锌空气电池的正极活性物质氧来自周围的空气，含量极为丰富；
4.价格低廉：空气催化电极是锌空气电池中价格最高的部件，其余部件价格较低；
5.工作电压平稳：电池放电时空气催化剂本身电压不发生变化，并且锌电极电压稳定；
6.安全可靠、无污染：从生产到使用，从新产品到废品的回收体系，都不会污染环境，更不会燃烧爆炸，堪称绿色能源；
7.锌空气电池技术成熟稳定，具有自主知识产权，所有材料及生产设备均无限制制约。
相对于铅酸电池、锂离子电池等，其能量密度是锂离子电池的两到三倍；铅酸电池污染较大，但锌空气电池基本上没有污染，对环境非常友好。因此锌空气电池非常适合用作纯电动汽车的动力能源，具有非常广阔的发展空间及巨大的应用潜力，正在成为国内外很多汽车厂家研究方向之一。
但是，由于锌空气电池采用多孔气体电极，而且阴极活性物质氧气来源于周围的空气中，必然会发生电解液水分的蒸发和吸潮问题，这将改变电解液的性能，对电池的性能和寿命产生一定的影响，因此各国的研究人员正在不断的攻关，通过不同的方式、方法提高锌空气电池的整体性能和延长寿命，比如添加二氧化碳清洗剂、提高空气电极催化剂活性等措施。
1.2 锌空气电池的类型
锌空气电池是以活性炭吸附空气中的氧气作为正极，以金属锌作为负极，以氯化铵或碱溶液为电解质的一种电池。
锌空气电池主要有机械充电式锌空气电池和锌膏循环式锌空气电池两种结构，目前商业上的锌空气电池普遍采用后者，即在电池放电完全后，将电池中用过的锌电极取出，换入新的锌电极或者将整个电池机械完全的更换，使用过的锌电极运到指定的锌回收处理工厂机械回收加工，实施资源的循环并再次利用。
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1.3 锌空气电池国内外应用现状
随着近年来电动汽车的快速推广和运用，在环境可持续发展的前提下，锌空气电池作为清洁能源之一，由于本事具有高能量密度、容量大、低成本、无污染等诸多特点，发展到现在，其相关技术正得到不断的完善和提高，整体性能指标达到了新的水平，给锌空气电池提供了广阔的发展空间。
锌空气电池作为未来电动汽车的动力源之一，得到了世界各国汽车公司和科技企业的高度重视和青睐。1995年，以色列的电燃料（Electric Fuel）公司研制开发的电动大巴所使用的锌空气电池正是这样的结构，单体电池中的锌负极整流体是蜂窝状 的结构，锌膏装在“蜂窝”中，当锌膏反应完全后，用自动更换装置替换锌膏，达到机械充电的目的，锌空气电池共有47个单体电池组成，开路电压为67v，比能量为200Wh/kg，一辆大巴使用3个电池模块，每个模块由6个锌空气电池组成，另外配合高功率的Cd/Ni电池组，0-64km/h的加速时间34s。
德国Benz公司的MB410电动厢式车，标重4000kg，采用该公司开发的150Kwh锌空气电池，从法国Chamber城越过Alpen，连续爬坡150km，山峰最高处2083m，公路全程244km，仅消耗65%的电量。该车从德国Bremen到Bonn，最高车速达到120km/h，一次充电后走完全程425km的路程。
美国EOS公司，用于锌空气电池的新型中性电解液研究已经取得了突破性的进展。此后瑞典、挪威等国也相继投入到锌空气电池的研发中。
在国内，2012年1月武汉泓元伟力新能源科技公司研制了首辆锌空气电池纯电动城市公交客车。2012初，台湾屏东科技大学研制了一辆采用锂离子和锌空气电池作为混合动力的电动汽车，这些项目表明锌空气电池研究的迅猛发展以及良好的运用前景。
2.锌空气正负极电极的研究
锌空气电池的研究主要集中在以下几个方面：正极即空气电极、负极即锌电极等，我们将对其进行分开的讨论。
2.1 空气电极
空气电极是以空气中的氧气作为正极活性物质，氧化极性能的好坏严重影响电池的性能。
2.1.1 贵金属及其合金催化剂
截至目前的研究，金属铂（Pt）无论在酸性还是碱性环境下，都是催化活性、稳定性最好的电催化剂，是由于其活性高、Tafel曲线斜率较小、导电性和稳定性较好的缘故。但是由于铂的价格非常昂贵，高纯度铂黑作为氧还原催化剂的利用率并不是很高，难以大规模的推广运用。然而经过研究发现，铂与一些过渡金属形成的二元、三元合金具有较高的催化活性，有的甚至超过纯铂，例如与过渡元素Au、Ru、Rh、Ir等构成的二元合金，以及Pt-Cr-Cu、Pt-Co-Mn等三元合金都具有非常高的氧还原催化活性。
2.1.2 银系列
银催化剂使用一般的银盐还原法，可以还原成硝酸银、醋酸银、乳酸银等，但是所制取的银催化剂中的银呈结晶状态，比表面积小，催化活性和稳定性都不太理想。如果在活性载体中添加适量的Ni、Bi、Hg的硝酸盐与硝酸银一同还原，有利于提高稳定性以及催化剂的活性。
2.2 锌电极
2.2.1 锌合金
由于金属锌的可逆性不是非常理想，目前研究人员基本上都是使用锌合金来提高锌空气的可逆性，从而提升整个电池的性能和使用寿命。以Zn-Mg-Al、Zn-Mg-Pb等合金作为锌空气电池的负极。实验结果表明锌合金中锌的利用率有明显的提升。另外，从锌粉的化学组成、储存温度、放电及粒度分布等因素来优化锌合金，同时Bi、Pb等也可以提高负电极的放电特性。
3 未来展望
锌空气电池的高能量、低成本优势非常明显，作为一个复杂的能量体系，经过各国研究人员的持续努力，到目前为止已经取得了较大的进步，但为了更好的应用于电动汽车，还需要在整体性能、寿命上做进一步的研究，并逐步解决这些问题，随着科学技术的快速发展，以及良好的基础，锌空气电池必将成为动力电池系列中优先发展的方向。
参考文献：
[1]景义军，郭际等 汽车用锌空气动力电池现状研究[J].电源技术 2011（10）
[2]李芬 锌空气电池之气体扩散电极性能研究[D].中国科学技术大学 2010
[3]GOLDSTEN J，BROWN I，KORETZ B New development in the electric fuel Ltd.Zinc/air system[J]，J Power Sources，1999，80；171-179
论文作者:徐毅,郑松林
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/31
标签：电池论文; 空气论文; 电极论文; 活性论文; 催化剂论文; 电动汽车论文; 负极论文; 《基层建设》2017年第32期论文;