锌-空气电池

锌空气电池是以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。锌空气电池是一种半蓄电池半燃料电池。首先，负极活性物质同锌锰、铅等蓄电池一样封装在电池内部，具有蓄电池的特点；其次，正极活性物质来自电池外部的空气中所含的氧，理论上有无限容量，是燃料电池的典型特征。

锌空气电池可以表达为：

(-) Zn | KOH | O₂ ( )

锌空气电池放电时阳极和阴极发生的电化学反应为：

Zn 4OH^-→Zn(OH)₄^2- 2e^-

Zn(OH)₄^2-→ZnO 2OH^- H₂O

O₂ 2H₂O 4e^-→4OH^-

总的电化学反应为：

2Zn O₂→2ZnO

锌-空气燃料电池具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等优点，因而被专家们认为是装备电动汽车等的理想动力电源。锌-空气电池的电压为1.4 V左右，放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值，超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的电荷量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。大型锌-空气电池的电荷量一般在500~2 000 A·h，主要用于铁路和航海灯标装置上。纽扣形锌-空气电池的电荷量在200~400 mA·h，已广泛用于助听器中。如果能普及使用锌-空气燃料电池的话，可大大减少空气和噪声污染。因此，由美国能源部和中国科技部授权成立的“美中能源环境技术交流中心”已经把锌-空气动力燃料电池作为向中国推荐的重点合作项目。我国是锌储量居世界第一的国家，在氢氧燃料电池车的商业化面临价格昂贵、投资巨大、技术瓶颈一时难以逾越的时候，锌-空气燃料电池的诞生也许可为环保汽车的普及提供一条捷径。由锌-空气燃料电池驱动的电动自行车已经走上了上海街头，这款锌-空气燃料电池车最大的特点是续驶里程长，可以达到200 km以上；另一个独特之处是它采用换电池来代替传统电动车充电的方式，每次换电池大约3 min。

锌空气电池的优势

1、比能量大。锌空气电池的比能量是铅酸蓄电池的4～6倍，比锂离子电池比能量都大1倍，以其作为动力的电动汽车最大行程可达400km，而以同等质量的铅酸蓄电池装同样的车一般行程则不大于100km。

2、制造工艺简单，成本低廉。大批量成本约为300~500元/kVAh，比铅酸蓄电池的还低。

3、安全可靠。即使外部遇到明火、短路、穿刺、撞击等情况，都不会发生燃烧、爆炸。

4、环保。电池正极采用活性碳、铜网，负极采用金属锌，没有使用一些有毒害的物质。

5、可再生利用。锌电极使用完后，可通过再生还原得到再次使用。另外，锌电极也可以采用机械充电方式，即将用完后的锌电极从电池中取出，放入特制的槽中充电。锌空气电极可以重复使用多次，还可以制成直接充电的锌空气电池，简称二次锌空气电池。湖南丰日电源电气股份有限公司，曾研制出的二次锌空气电池，充电循环寿命达100次以上。

6、由于锌空气电池的充电主要是更换极板，所以极板的再生可以集中进行。极板的分发可以像商店那样布点，不必建立专用的充电站。这不但可以节约大量先期投资，而且给用户带来很多方便。

锌空气电池的弊端

1、使用成本相对高，充电过程相对复杂。因为锌空气电池通常都是机械充电方式，要求将锌电极取出在专用充电槽中充电，只有专业人员才能进行操作，给使用带来了麻烦，同时也提高了人工费用，造成实际运行成本的附加值较高。

2、实际使用寿命短，为1~2年，这主要不是因为电池的电化学性能差，而是电池的结构带来的影响。如电池的外壳是由塑料包覆空气电极而成，不是完整的塑料槽，因此给电池的密封带来了困难，不少电池在使用一定时间后就出现漏液现象。其次，锌空气电极必须制成多孔状，多孔的电极可以吸附氧气，但同时也吸附部分二氧化碳，使电解液碳酸盐化，致使电池的效率大大下降。

3、批量生产加工工艺不够成熟。这主要是催化膜和防水透气膜的制造，大多需要半机械操作，存在一些手工因素，导致电极性能有差异。

锌空气电池的发展大致经历了四个阶段：

1、早在19世纪初，空气电极就有报道。但直到1878年，采用镀铂炭电极代替勒克朗谢电池中的阳极二氧化锰，才真正制成第一个空气电池。但当时采用的是微酸性电解质，电极性能极低，因而限制了锌空气电池的使用范围。

2、1932年，海斯（Heise）和舒梅歇尔（Schumacher）制成了碱性锌空气电池。它以汞齐化锌作为负极，经石蜡防水处理的多孔碳作为正极，20%的氢氧化钠水溶液作为电解质，使放电电流有了大幅提高，电流密度可达到7~10mA/cm²。这种锌空气电池具有较高能量密度，但输出功率较低，主要用于铁路信号灯和航标灯的电源。

3、20世纪60年代，由于燃料电池研究的需要，高性能的气体电极被成功研制。这种新型气体扩散电极具有良好的气/液/固三相结构，放电电流密度达到100mA/cm²，从而使高功率锌空气电池得以实现。1977年，小型高性能的扣式锌空气电池已成功进行商业化生产，并广泛用于助听器的电源。

4、近年来，随着气体扩散电极理论的进一步完善，以及催化剂的制备和气体电极制造工艺的发展，使电极性能进一步提高，电流密度可达到200~300mA/cm²，甚至有些达到500mA/cm²；同时，对锌空气电池气体管理的研究（如水、二氧化碳等），提高了锌空气电池的环境适应能力，为大功率锌空气电池的产品化开发提供了技术保障，同时也使各种锌空气电池体系逐渐走向商品化。