鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式的探討

王言琴， 朱 梅， 徐棟哲， 徐獻(xiàn)芝， 尹成龍

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥230027)

鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式的探討

王言琴1， 朱 梅1， 徐棟哲2， 徐獻(xiàn)芝2， 尹成龍1

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥230027)

結(jié)合鋅空氣電池自身特點(diǎn)，探討了鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式。以電動(dòng)自行車上使用“電-電混合”的技術(shù)方法為市場(chǎng)切入點(diǎn)，建立了可再生的鋅空氣電池商業(yè)發(fā)展模式，為能源再生產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)，這種模式彌補(bǔ)了現(xiàn)有電池市場(chǎng)續(xù)駛里程短等缺陷，建立了換電電池商業(yè)模式，改變了電池只能充電的傳統(tǒng)觀念。

鋅空氣電池；可再生電池；換電模式；電-電混合

電動(dòng)自行車發(fā)展至今已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目前市場(chǎng)上90%的電動(dòng)自行車使用的是鉛酸蓄電池，也有少量使用的是鋰電池。但是，市場(chǎng)上所有類型的電池如干電池、蓄電池、扣式電池均為不可再生電池，達(dá)到使用極限的電池?zé)o法回收循環(huán)使用，均要向環(huán)境拋棄固體垃圾，污染水體[1-8]。可再生式鋅空氣電池恰恰能夠改變電池使用后無法回收的歷史，且鋅空氣電池具有比能量高、原材料易得且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足用戶對(duì)續(xù)駛里程的需求，面對(duì)已經(jīng)占據(jù)90%以上電動(dòng)自行車市場(chǎng)的鉛酸電池、鋰電池，鋅空氣電池想要產(chǎn)業(yè)化必須找到合適的市場(chǎng)模式[9-13]切入。本文就鋅空氣電池自身特點(diǎn)，提出鋅空輔助動(dòng)力的概念，即“電-電混合”供電模式。

1 鋅空氣電池市場(chǎng)模式

1.1 鋅空輔助動(dòng)力

以鉛酸為動(dòng)力電池的助力電動(dòng)自行車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并以其經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)勢(shì)受到普通大眾的親睞。但是，一組48 V 20 Ah的鉛酸蓄電池平均行駛里程約為50 km，使用一年后，電池的充電容量降低，續(xù)行里程也降為30 km左右，滿足不了對(duì)續(xù)駛里程有特別需求的用戶。以鋰電為動(dòng)力的電動(dòng)汽車雖然是政府主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)，但因沒有現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)，發(fā)展緩慢。

結(jié)合鋅空氣電池自身特點(diǎn)，使鋅空氣電池能夠更容易切入市場(chǎng)，提出了鋅空輔助動(dòng)力的概念，即“電-電混合”，將一組12只的鋅空氣電池組串聯(lián)，輸出電壓范圍為9～12 V，經(jīng)DC-DC升壓器升壓轉(zhuǎn)換輸出36～60 V電壓，通過一個(gè)接口與鉛酸電池并聯(lián)，在電動(dòng)自行車工作時(shí)，鋅空氣電池和鉛酸電池一起給電動(dòng)車提供動(dòng)力，當(dāng)電動(dòng)車停駛時(shí)，鋅空氣電池給鉛酸蓄電池充電。

它保留了原有電動(dòng)車電池的充電功能，僅減少原有電池的電池容量，鋅空氣電池為動(dòng)力源，給鉛酸、鋰電池輔助充電，原電池僅在供電過程中起調(diào)峰作用。這既解決了原有同等質(zhì)量電池儲(chǔ)能小的問題，同時(shí)也解決了鋅空氣電池峰值功率小的問題。這種市場(chǎng)定位能夠讓用戶習(xí)慣從原有的充電模式逐步過渡到換電模式，并且讓“電-電混合”動(dòng)力模式首先在電動(dòng)自行車市場(chǎng)進(jìn)行示范，這種發(fā)展模式更容易被市場(chǎng)接受。

1.2 鋅空輔助動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)

鋅空輔助供電的供電模式是將原有動(dòng)力電池的容量降低，只作調(diào)峰電池使用，在電池工作過程中，鋅空氣電池為動(dòng)力源輸出動(dòng)力給調(diào)峰電池充電。這種“電-電混合”的動(dòng)力電池解決了現(xiàn)有動(dòng)力電池容量低、充電時(shí)間長、續(xù)駛里程短、污染嚴(yán)重等問題，表1是三種類型的12 V 100 Ah電池規(guī)格。

通過對(duì)同等容量和電壓的三種不同種類電池性能進(jìn)行對(duì)比可知，鋅空氣電池的成本與鉛酸價(jià)格基本相同，但是電池質(zhì)量卻只有鉛酸的四分之一，鋅空氣電池的成本只有鋰電的五分之一。該電池采用換電的充電模式，大大降低了充電時(shí)間，解決了充電樁服務(wù)車輛少的問題，且這種混合電池的使用使調(diào)峰電池的使用壽命延長10倍以上，減少了鉛酸電池因深度放電降低壽命而過早排放給環(huán)境帶來的危害，鋅空氣電池不存在充電安全問題，所用電池材料在放電結(jié)束后均可回收、循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境零污染、零排放。同時(shí)，鋅空氣電池所用材料都是價(jià)廉易得的最基本的電池材料，電池制作所用的設(shè)備也是最基本的工業(yè)設(shè)備，鋅空氣電池的制作工藝已經(jīng)分解到最基本的流水線工藝，工作效率高。

在一些找不到充電接口的邊遠(yuǎn)地區(qū)或是一些自然災(zāi)害造成的電力中斷區(qū)域，配備輔助電源供電很有必要，因此，將鋅空氣動(dòng)力電池作為輔助供電設(shè)備投放市場(chǎng)具有廣泛的市場(chǎng)前景。

表1 三種12 V 100 Ah動(dòng)力電池規(guī)格

1.3 輔助動(dòng)力存在的市場(chǎng)

通過對(duì)市場(chǎng)上以電動(dòng)車為主要出行工具的用戶進(jìn)行抽樣調(diào)查，樣本個(gè)數(shù)500，調(diào)查表明：預(yù)付電池成本押金500元，更換一次的費(fèi)用是10元，一組電池7 kg，能夠給電動(dòng)自行車增程50 km。80%的電動(dòng)車用戶能夠接受這個(gè)價(jià)位提供的服務(wù)，2%～5%的電動(dòng)車用戶對(duì)續(xù)駛里程有切實(shí)需求，并有意向購買這樣的增程服務(wù)。分析表明：就合肥目前電動(dòng)自行車市場(chǎng)保有量而言，約為200萬輛，若其中的2%～5%的用戶對(duì)續(xù)駛里程有需求，那么鋅空氣電池輔助動(dòng)力服務(wù)的客戶就有4～10萬個(gè)，每人押金500，就有2 000～5 000萬的流動(dòng)資金，平均每月更換4次，每個(gè)用戶一年更換50次左右，電池的更換收入又有2 000～5 000萬，合肥的電動(dòng)自行車有近1億的市場(chǎng)。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鋅空氣電池容量進(jìn)一步提升，逐步減小電動(dòng)車本身電池容量，鋅空氣電池漸漸占據(jù)主導(dǎo)地位，將用戶的習(xí)慣逐步過渡為換電模式，鋅空氣電池輔助供電的市場(chǎng)容量也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.4 輔助動(dòng)力產(chǎn)業(yè)可行性

按一組電池的儲(chǔ)存電量為1 kWh，一組電池由12節(jié)單電池組成，電池成本包括材料成本和人工勞務(wù)成本兩個(gè)部分，電池材料包括金屬塑料框、泡沫鎳、碳粉涂料等。表2為一組鋅空氣電池組的相關(guān)參數(shù)。

表2 鋅空氣電池相關(guān)參數(shù)

批量生產(chǎn)后，材料成本和人工成本會(huì)進(jìn)一步降低。電池經(jīng)過回收再次使用，二次電池只需支付回收拆洗和重新組裝的人工費(fèi)，更換正常老化損壞的零部件，氧化鋅的電解還原所需用電可以利用太陽能、水能、風(fēng)能，或者與一些未入網(wǎng)的小電站合作，就地建立電解還原基地，降低二次鋅電極使用成本。通過對(duì)鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)成本的估算，從工業(yè)化生產(chǎn)的角度驗(yàn)證了這種產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式是可行的。

2 鋅空氣電池產(chǎn)品未來技術(shù)發(fā)展路線和前景展望

2.1 發(fā)展鋅空輔助動(dòng)力的意義

鋅空輔助動(dòng)力的提出改變了現(xiàn)有電池?zé)o法回收循環(huán)使用的現(xiàn)實(shí)問題，傳統(tǒng)概念充電模式的電池逐步向換電模式的電池過渡，這種換電模式的電池應(yīng)用于電動(dòng)車市場(chǎng)充當(dāng)“油箱”的角色。這種鋅空輔助動(dòng)力的服務(wù)模式首先在電動(dòng)自行車上示范推行，未來應(yīng)用在電動(dòng)汽車、特種電池、偏遠(yuǎn)地區(qū)儲(chǔ)能電池等方面需要明確的產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展路線。

表3 鋅空氣電池未來技術(shù)發(fā)展的六代產(chǎn)品

2.2 鋅空氣電池產(chǎn)品未來技術(shù)發(fā)展路線

鋅空氣電池產(chǎn)品未來技術(shù)發(fā)展方向明確，準(zhǔn)確地將鋅空氣電池的未來產(chǎn)品定位為六代，如表3所示。隨著未來鋅空氣電池技術(shù)以及鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，鋅空氣電池由現(xiàn)在的“干電池”走向“燃料電池”是未來的必然發(fā)展趨勢(shì)。鋅空氣動(dòng)力汽車最終也將替代傳統(tǒng)燃油、燃?xì)馄嚦蔀槲磥砥嚨闹鲗?dǎo)。

2.3 與太陽能、風(fēng)能結(jié)合構(gòu)建能源農(nóng)場(chǎng)

將鋅空氣動(dòng)力電池與太陽能、風(fēng)能結(jié)合，構(gòu)建能源生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，不僅可以解決太陽能、風(fēng)能入網(wǎng)使用的瓶頸問題，同時(shí)還可以搭建一個(gè)生態(tài)環(huán)保的以鋅空為載體的能源循環(huán)體系，整體的能量可以通過能源農(nóng)場(chǎng)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)循環(huán)。其能源農(nóng)場(chǎng)和具體的儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1～圖2所示。

圖1 能源生態(tài)農(nóng)場(chǎng)示意圖

圖2 儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)示意圖

鋅空氣動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能載體將化學(xué)能用于驅(qū)動(dòng)汽車行駛的電機(jī)的動(dòng)能，應(yīng)用這種電動(dòng)汽車運(yùn)輸鋅礦，廢舊電池中的氧化鋅則通過太陽能、風(fēng)能電解槽系統(tǒng)電解還原鋅，能量轉(zhuǎn)換方式是將該類型新能源的能量?jī)?chǔ)存于鋅材料中重新用于鋅空氣動(dòng)力電池，如此有效地結(jié)合汽車用新能源的發(fā)展與常規(guī)新能源的合理利用，以實(shí)現(xiàn)能源高效利用的目的。

同時(shí)鋅的電解還原過程是在堿性環(huán)境下進(jìn)行的，電解鋅的堿液和清洗后留下的稀堿液可以蒸發(fā)析出純堿，重新用于電解和化學(xué)反應(yīng)過程中，如此可以建立一個(gè)儲(chǔ)能循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)外環(huán)境零排放，整體形成一個(gè)儲(chǔ)能生態(tài)農(nóng)場(chǎng)。

3 總結(jié)

鋅空氣電池是可再生的新能源電池，采用的是更換鋅電極的充電模式，本文對(duì)其市場(chǎng)切入模式和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式進(jìn)行探討可知：“電-電混合”供電模式是鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的切入點(diǎn)；從鋅空輔助動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)、存在的市場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)論證鋅空氣電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式的可行性；闡述了鋅空輔助動(dòng)力產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的意義，確立了可行的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，開啟了環(huán)保再生電池的新時(shí)代；闡述了鋅空氣電池未來的技術(shù)發(fā)展方向，并具體描述了未來發(fā)展步驟；結(jié)合太陽能、風(fēng)能，構(gòu)建以鋅空氣電池為載體的能源再生循環(huán)體系。

[1]COOPER A，F(xiàn)URAKAWA J.The ultrabattery-a new battery design for a new beginning in hybrid electric vehicle energy storage [J].Journal of Power Sources，2009(2):642-649.

[2]王文博.燃料電池的發(fā)展方向[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010(1)：118.

[3]徐琳，過學(xué)迅.燃料電池技術(shù)對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)及世界能源格局影響的展望[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2009(4)：58-62.

[4]ABDULLAH M O，YUNG V C.Review and comparison study of hybrid diesel/solar/hydro/fuel cell energy schemes for a rural ICT telecenter[J].Energy，2010，35(2):639-646.

[5]CAO X X，HUANG X.A completely anoxic microbial fuel cell using a photo-biocathode for cathodic carbon dioxide reduction[J]. Energy&Environmental Science，2009，2(5):498-501.

[6]謝先宇，王潘，安浩.汽車用動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀[J].上海汽車，2010(1)：21-25.

[7]陳立泉.鋰離子電池：從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2009 (10)：89-91.

[8]LEE J，NAM O.Li-ion battery SOC estimation method based on the reduced order extended Kalman filtering[J].Journal of Power Sources，2007(1):9-15.

[9]朱梅，徐獻(xiàn)芝.電動(dòng)自行車的合理格局[J].電動(dòng)自行車，2010(1)：48-49.

[10]朱梅，徐獻(xiàn)芝，宋輝，等.鋅空氣電池在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用前景[J].電池工業(yè)，2007(6)：397-399.

[11]朱梅，徐獻(xiàn)芝，楊基明.電動(dòng)自行車用鋅空氣動(dòng)力電池[J].中國工程科學(xué)，2006(11)：99-102.

[12]宋永華，陽岳希，胡澤春.電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：1-6.

[13]周龍瑞，馬洪濤，趙文超.電動(dòng)自行車用動(dòng)力鉛酸蓄電池的昨天、今天和明天[J].中國自行車，2012(8)：40-45.

[14]張華甲.鋅氧燃料電池：儲(chǔ)能新希望[J].裝備制造，2009(7)：64-66.

Investigation of industry development model on zinc-air battery

Combined with the characteristics of zinc-air battery，the zinc-air battery industry development model was discussed.With the electric bike"electric-electric hybrid"technology approach as market entry point，a zinc-air battery renewable business development model was established， laying the foundation for the renewable energy industry.This model makes up the advantage of short trip mileage in the existing battery market， establishes a business model for changing electric batteries，and changes the traditional concept of battery charging.

zinc-air batteries;renewable battery;changing battery mode;electricity-electric hybrid

TM 911.41

A

1002-087 X(2016)04-0921-03

2015-09-18

國家自然科學(xué)基金(11202002)

王言琴(1989—)，女，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇\空氣動(dòng)力電池。

朱梅，E-mail:zhumei@ahau.edu.cn