2月，兩則有關(guān)“金屬空氣電池”的消息引發(fā)關(guān)注，其一是首批鐵—空氣電池有望年內(nèi)在美國(guó)生產(chǎn)，其二是日本計(jì)劃2025年啟動(dòng)鋅—空氣電池試點(diǎn)生產(chǎn)。這似乎意味著，以鐵—空氣電池、鋅一空氣電池為代表的金屬空氣電池技術(shù)，正在從研發(fā)示范邁向商業(yè)初期階段。業(yè)界認(rèn)為，廉價(jià)且豐富的金屬材料讓金屬空氣電池較鋰離子電池具備更多顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域。

金屬空氣電池走出研發(fā)低谷

相較于傳統(tǒng)離子電池，金屬空氣電池具有很高的理論能量密度，而且成本更低。美國(guó)麻省理工學(xué)院指出，金屬空氣電池的能量密度理論上可以比鋰離子電池高出數(shù)倍，根據(jù)類型不同，金屬空氣電池的制造成本或可降低至鋰離子電池的10%甚至更低。

市場(chǎng)咨詢公司Market Research預(yù)計(jì)，到2028年，全球金屬空氣電池市場(chǎng)價(jià)值將從2021年的4.66億美元增長(zhǎng)至11.73億美元。

據(jù)日經(jīng)新聞網(wǎng)報(bào)道，日本夏普公司目前正在推進(jìn)鋅—空氣電池研發(fā)，計(jì)劃在2025年啟動(dòng)試點(diǎn)生產(chǎn)項(xiàng)目。夏普公司表示，鋅—空氣電池可以實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏龋珘勖鼌s比后者多一倍，這意味著相同重量或體積下，鋅—空氣電池可以存儲(chǔ)更多能量。

鋅此前被用作堿性干電池等一次性電池的負(fù)極材料，但幾乎無(wú)法用于可反復(fù)充放電的充電電池，原因是鋅材料如果反復(fù)充放電，電極部分會(huì)析出針狀結(jié)晶，引起短路。夏普公司的研發(fā)方向是將充電單元和放電單元分離，即使電極部分產(chǎn)生針狀結(jié)晶，也不易發(fā)生短路。

夏普公司表示，一方面，鋅是儲(chǔ)量和產(chǎn)量都很高的基礎(chǔ)金屬之一，冶煉也很容易，可以降低原材料的采購(gòu)成本；另一方面，鋅—空氣電池在放電過程中產(chǎn)生的廢棄物較少，環(huán)境負(fù)擔(dān)較小，而且整個(gè)充放電過程產(chǎn)生的熱量相較于鋰離子電池較少，不易發(fā)生熱失控現(xiàn)象，更安全。

首批鐵—空氣電池或今年問世

同一時(shí)間，美國(guó)技術(shù)初創(chuàng)公司Form Energy宣布，近日完成有關(guān)鐵—空氣電池技術(shù)最新研究，有望今年內(nèi)出產(chǎn)首批電池生產(chǎn)。Form Energy公司創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)來(lái)自麻省理工學(xué)院，他們找到了一種利用水基電解質(zhì)逆轉(zhuǎn)腐蝕過程的充放電方法。將薄板陰極和由鐵粉制成的陽(yáng)極與網(wǎng)固定在一起，中間是水基電解質(zhì)，放電時(shí)，電池“吸入”空氣中的氧氣，與水基電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，將鐵轉(zhuǎn)成鐵銹；充電時(shí)，施加電流將鐵銹重新轉(zhuǎn)換成鐵，電池隨之“呼出”氧氣。

據(jù)了解，F(xiàn)orm Energy公司將投資7.6億美元在西弗吉尼亞州建造一座新的鐵—空氣電池制造工廠，該地區(qū)是美國(guó)最重要的鋼鐵重鎮(zhèn)之一，可以幫助該公司獲得制造電池所需的鐵。這是Form Energy公司的第5座工廠。油價(jià)網(wǎng)報(bào)道稱，美國(guó)埃克西爾能源公司是Form Energy公司的主要客戶之一，已經(jīng)訂購(gòu)了兩個(gè)10兆瓦系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2025年啟動(dòng)試點(diǎn)項(xiàng)目。

基于這一方法，F(xiàn)orm Energy公司的鐵—空氣電池成本僅為鋰離子電池的10%，但可滿足100小時(shí)儲(chǔ)能需求。

事實(shí)上，相較于鋰、鈷等更昂貴的金屬材料，鐵的可用性和低成本顯然更具吸引力。此外，鐵對(duì)環(huán)境的影響要小得多，因此，向鐵—空氣電池技術(shù)轉(zhuǎn)變代表了一種更可持續(xù)的儲(chǔ)能方案。

為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)提供更多選擇

目前，儲(chǔ)能領(lǐng)域主要是鋰離子電池為主導(dǎo)，但考慮到鋰離子電池的局限性，加之近年來(lái)出現(xiàn)的供應(yīng)鏈危機(jī)，尋求更穩(wěn)定、性價(jià)比更高的電池技術(shù)已成為大勢(shì)所趨。

《自然》雜志指出，鐵—空氣電池的特性令其并不適合電動(dòng)汽車。一方面是因?yàn)殍F比鋰更重，另一方面是其充電效率和充電時(shí)間緩慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速充電。但這樣的特性卻反而非常適合電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能，尤其是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面表現(xiàn)出色。

在Form Energy公司看來(lái)，鐵—空氣電池就是為固定電網(wǎng)存儲(chǔ)而設(shè)計(jì)的，尤其面對(duì)“風(fēng)光”等間歇性可再生能源，該技術(shù)能夠儲(chǔ)存數(shù)天甚至數(shù)周時(shí)間的能量，這使其成為平衡電網(wǎng)運(yùn)行的好幫手。不過，由于放電速度較慢，鐵—空氣電池還需要與其他儲(chǔ)能技術(shù)配合處理用電需求高峰。

據(jù)麥肯錫和長(zhǎng)期儲(chǔ)能協(xié)會(huì)聯(lián)合預(yù)測(cè)，到2040年，全球有望部署1.5太瓦時(shí)至2.5太瓦時(shí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能容量，屆時(shí)整體儲(chǔ)能容量將達(dá)到85太瓦時(shí)至140太瓦時(shí)；到2040年，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能部署每年可幫助減少1.5億噸至2.3億噸二氧化碳排放，這約是當(dāng)前電力部門排放總量的10%至15%。

麥肯錫表示，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能在實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)靈活性方面可以發(fā)揮核心作用。當(dāng)前，探索和投資替代電池技術(shù)拓展的行業(yè)趨勢(shì)越發(fā)明顯，方案和設(shè)計(jì)的多樣性則會(huì)進(jìn)一步豐富研發(fā)方向，為創(chuàng)新長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步鋪平道路。