鋅空氣電池產業化發展模式的探討

王言琴， 朱 梅， 徐棟哲， 徐獻芝， 尹成龍

(1.安徽農業大學工學院，安徽合肥230036；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽合肥230027)

鋅空氣電池產業化發展模式的探討

王言琴1， 朱 梅1， 徐棟哲2， 徐獻芝2， 尹成龍1

(1.安徽農業大學工學院，安徽合肥230036；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽合肥230027)

結合鋅空氣電池自身特點，探討了鋅空氣電池產業化發展模式。以電動自行車上使用“電-電混合”的技術方法為市場切入點，建立了可再生的鋅空氣電池商業發展模式，為能源再生產業奠定基礎，這種模式彌補了現有電池市場續駛里程短等缺陷，建立了換電電池商業模式，改變了電池只能充電的傳統觀念。

鋅空氣電池；可再生電池；換電模式；電-電混合

電動自行車發展至今已經全面實現商業化，目前市場上90%的電動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，達到使用極限的電池無法回收循環使用，均要向環境拋棄固體垃圾，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、原材料易得且價格低等優點，能夠滿足用戶對續駛里程的需求，面對已經占據90%以上電動自行車市場的鉛酸電池、鋰電池，鋅空氣電池想要產業化必須找到合適的市場模式[9-13]切入。本文就鋅空氣電池自身特點，提出鋅空輔助動力的概念，即“電-電混合”供電模式。

1 鋅空氣電池市場模式

1.1 鋅空輔助動力

以鉛酸為動力電池的助力電動自行車已經實現商業化，并以其經濟實用的優勢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，續行里程也降為30 km左右，滿足不了對續駛里程有特別需求的用戶。以鋰電為動力的電動汽車雖然是政府主導的產業，但因沒有現實市場，發展緩慢。

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

它保留了原有電動車電池的充電功能，僅減少原有電池的電池容量，鋅空氣電池為動力源，給鉛酸、鋰電池輔助充電，原電池僅在供電過程中起調峰作用。這既解決了原有同等質量電池儲能小的問題，同時也解決了鋅空氣電池峰值功率小的問題。這種市場定位能夠讓用戶習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”動力模式首先在電動自行車市場進行示范，這種發展模式更容易被市場接受。

1.2 鋅空輔助動力的優點

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

通過對同等容量和電壓的三種不同種類電池性能進行對比可知，鋅空氣電池的成本與鉛酸價格基本相同，但是電池質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，大大降低了充電時間，解決了充電樁服務車輛少的問題，且這種混合電池的使用使調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束后均可回收、循環使用，對環境零污染、零排放。同時，鋅空氣電池所用材料都是價廉易得的最基本的電池材料，電池制作所用的設備也是最基本的工業設備，鋅空氣電池的制作工藝已經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地區或是一些自然災害造成的電力中斷區域，配備輔助電源供電很有必要，因此，將鋅空氣動力電池作為輔助供電設備投放市場具有廣泛的市場前景。

表1 三種12 V 100 Ah動力電池規格

1.3 輔助動力存在的市場

通過對市場上以電動車為主要出行工具的用戶進行抽樣調查，樣本個數500，調查表明：預付電池成本押金500元，更換一次的費用是10元，一組電池7 kg，能夠給電動自行車增程50 km。80%的電動車用戶能夠接受這個價位提供的服務，2%～5%的電動車用戶對續駛里程有切實需求，并有意向購買這樣的增程服務。分析表明：就合肥目前電動自行車市場保有量而言，約為200萬輛，若其中的2%～5%的用戶對續駛里程有需求，那么鋅空氣電池輔助動力服務的客戶就有4～10萬個，每人押金500，就有2 000～5 000萬的流動資金，平均每月更換4次，每個用戶一年更換50次左右，電池的更換收入又有2 000～5 000萬，合肥的電動自行車有近1億的市場。隨著產品的更新換代，鋅空氣電池容量進一步提升，逐步減小電動車本身電池容量，鋅空氣電池漸漸占據主導地位，將用戶的習慣逐步過渡為換電模式，鋅空氣電池輔助供電的市場容量也將進一步擴大。

1.4 輔助動力產業可行性

按一組電池的儲存電量為1 kWh，一組電池由12節單電池組成，電池成本包括材料成本和人工勞務成本兩個部分，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參數。

表2 鋅空氣電池相關參數

批量生產后，材料成本和人工成本會進一步降低。電池經過回收再次使用，二次電池只需支付回收拆洗和重新組裝的人工費，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、風能，或者與一些未入網的小電站合作，就地建立電解還原基地，降低二次鋅電極使用成本。通過對鋅空氣電池產業化生產成本的估算，從工業化生產的角度驗證了這種產業發展模式是可行的。

2 鋅空氣電池產品未來技術發展路線和前景展望

2.1 發展鋅空輔助動力的意義

鋅空輔助動力的提出改變了現有電池無法回收循環使用的現實問題，傳統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用于電動車市場充當“油箱”的角色。這種鋅空輔助動力的服務模式首先在電動自行車上示范推行，未來應用在電動汽車、特種電池、偏遠地區儲能電池等方面需要明確的產品技術發展路線。

表3 鋅空氣電池未來技術發展的六代產品

2.2 鋅空氣電池產品未來技術發展路線

鋅空氣電池產品未來技術發展方向明確，準確地將鋅空氣電池的未來產品定位為六代，如表3所示。隨著未來鋅空氣電池技術以及鋅空氣電池產業化進程的發展，鋅空氣電池由現在的“干電池”走向“燃料電池”是未來的必然發展趨勢。鋅空氣動力汽車最終也將替代傳統燃油、燃氣汽車成為未來汽車的主導。

2.3 與太陽能、風能結合構建能源農場

將鋅空氣動力電池與太陽能、風能結合，構建能源生態農場，不僅可以解決太陽能、風能入網使用的瓶頸問題，同時還可以搭建一個生態環保的以鋅空為載體的能源循環體系，整體的能量可以通過能源農場流動實現動態循環。其能源農場和具體的儲能循環系統結構示意圖如圖1～圖2所示。

圖1 能源生態農場示意圖

圖2 儲能循環系統示意圖

鋅空氣動力電池作為儲能載體將化學能用于驅動汽車行駛的電機的動能，應用這種電動汽車運輸鋅礦，廢舊電池中的氧化鋅則通過太陽能、風能電解槽系統電解還原鋅，能量轉換方式是將該類型新能源的能量儲存于鋅材料中重新用于鋅空氣動力電池，如此有效地結合汽車用新能源的發展與常規新能源的合理利用，以實現能源高效利用的目的。

同時鋅的電解還原過程是在堿性環境下進行的，電解鋅的堿液和清洗后留下的稀堿液可以蒸發析出純堿，重新用于電解和化學反應過程中，如此可以建立一個儲能循環系統，該系統對外環境零排放，整體形成一個儲能生態農場。

3 總結

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，本文對其市場切入模式和產業化發展模式進行探討可知：“電-電混合”供電模式是鋅空氣電池產業化發展的切入點；從鋅空輔助動力的優點、存在的市場、產業生產論證鋅空氣電池產業化發展模式的可行性；闡述了鋅空輔助動力產業化發展的意義，確立了可行的產業化發展模式，開啟了環保再生電池的新時代；闡述了鋅空氣電池未來的技術發展方向，并具體描述了未來發展步驟；結合太陽能、風能，構建以鋅空氣電池為載體的能源再生循環體系。

[1]COOPER A，FURAKAWA 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.燃料電池的發展方向[J].高科技與產業化，2010(1)：118.

[3]徐琳，過學迅.燃料電池技術對汽車產業及世界能源格局影響的展望[J].車輛與動力技術，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.汽車用動力鋰離子電池發展現狀[J].上海汽車，2010(1)：21-25.

[7]陳立泉.鋰離子電池：從基礎研究到產業[J].新材料產業，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，徐獻芝.電動自行車的合理格局[J].電動自行車，2010(1)：48-49.

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

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

[12]宋永華，陽岳希，胡澤春.電動汽車電池的現狀及發展趨勢[J].電網技術，2011，35(4)：1-6.

[13]周龍瑞，馬洪濤，趙文超.電動自行車用動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

國家自然科學基金(11202002)

王言琴(1989—)，女，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為鋅空氣動力電池。

朱梅，E-mail:zhumei@ahau.edu.cn