铝空气电池——未来技术？

交通运输领域在全球脱碳进程中发挥着关键作用，其在燃料燃烧造成的直接二氧化碳排放中占比高达24%。这其中，近四分之三的排放来自道路运营车辆，尽管受到新冠疫情的影响，航空和航运领域的排放量仍在持续增加。当前有许多替代燃料和技术要比燃油车更加环保，包括生物柴油、沼气、电动、混合动力或氢动力车辆。然而还有一项鲜为人知但却是公认的拥有发展巨大潜力的技术——铝空气（Al-air）电池。

铝空气电池是一种廉价、轻便且能量强大的电池技术。它的公式很简单：铝+空气=电力。空气中的氧气和铝发生反应产生电荷，产生电能用于为乘用车提供动力。前劳斯莱斯工程师兼英国皇家海军军官Trevor Jackson表示：“这种技术介于电池和燃料电池技术之间，我想说它恰恰结合了两种技术的精华。”Trevor创立了一家名为Métalectrique的企业专门从事铝空气电池开发，在过去几年中引发了媒体的争相报道。

铝空气电池内部，来源：Métalectrique。

目前，全世界都把实现气候目标押注在锂离子电动汽车上。在新冠疫情肆虐的2020年，欧洲纯电动汽车和插电式混合动力汽车（统称为电动汽车xEVs）的注册量达到近140万辆，较2019年增长了137%。根据Carbon Brief的报道，2019年电动汽车的排放量相较于传统车辆减少了近3倍，其排放量根据制造和充电过程中所使用的电源而有所不同。尽管电动汽车的优势人尽皆知，但用电池为全球车队提供动力并非一项完美的方案：电池的质保期一般为5到8年，众所周知其回收率低于5%，并且为其充电的电源不一定来自低碳电源，大规模充电还会给电网造成巨大压力。最后但同样重要的是，电动汽车需要使用稀土矿物资源，因此还会涉及供应链的安全问题。

欧盟委员会在2020年发布了一份关于传统和替代燃料汽车环境影响的报告，其得出的结论是，电动汽车在所有车辆类型中对环境造成的影响明显更低。然而，其在降低环境影响方面的效果在很大程度上取决于所在区域和运营情况，因为不同国家或地区的能源结构有所不同。此外，电动汽车中尤其是铜和电子元件的使用仍然是对环境构成挑战的重要因素。而铝空气电池技术则有望解决低碳运输的可持续性、回收和采购方面的问题。

大约20年前，科学家们预测铝空气电池和电动汽车的结合将是未来乘用车在行驶里程、购买价格、燃料成本和生命周期成本方面最具前景的技术之一。Jackson称：“其良好的电池性能和性价比使其成为替代化石燃料汽车的经济性选择。”使用铝空气电池的车辆的续航里程类似于燃油车，目前估计单次续航可达1600公里。但是为什么人们对这项技术难以引起人们的注意呢？

铝空气电池商业化的障碍主要在于技术本身。2020年，科学家们仍然认为此类电池的正极、负极、电解液等电池组件的性能较差且成本高昂，此外还有阳极腐蚀或孔隙堵塞等问题，这些缺点使得该技术不适合扩展和商业化。

然而，Jackson相信他已经设法解决了这些问题：“在一次事故中，我开发出一种电解液系统，似乎因祸得福地解决了这些主要问题，电池也达到了最佳性能，能量密度达到1350Wh/kg，大约是锂离子电池的9倍。”

根据Jackson的说法，对这项技术最佳的描述应该是“电动引擎”，因为它既不是电池，也不是发动机，而是发动机的“电力等效物”。在这个“发动机”中，“燃料”是铝金属（阳极），它与周围的氧气（阴极）反应以产生动力。由于阴极只是来自周围空气中的氧气，因此无需像传统电池那样承载另一种金属的重量，这使得它质量明显更轻。“这是一个非常安全和单一的系统，会持续安静地提供电力，直到燃料耗尽。它不像充电电池，在放电时需要处理电压损失（以及电力损失）。这对于电动飞行来说尤其重要，因为总是需要确保全功率飞行以防止中途着陆。这就是为什么它更像是使用燃料的发动机而不像是电池的原因。我们已经完成了1500英里（约合2414公里）的测试，并且功率一直保持稳定。而现在，它对于汽车制造商来说只需要花费每千瓦时29至35欧元的成本，而对驾驶者来说只需要花费每公里0.15欧分。”

Jackson认为铝空气电池可以作为传统电动汽车的一个很好的扩展。“在我看来，人们在需要立即出发时一定不想等待电动汽车充电。而对于我们的电池，我们有一个90秒的换电系统。移动自由对我们至关重要。这就是我们的理念。”

就目前而言，充电基础设施仍然是电动汽车替代传统燃油车面临的主要挑战之一。哈佛大学2018年的一项研究表明，需要更容易获得、易于使用且相对便宜的充电基础设施，以确保电动汽车的商业化取得成功。虽然换电模式可以大大减少司机的等待时间，但这项技术很难实施。一方面，电池非常重，必须精确安装；另一方面，建设换电系统需要确保站点的均衡合理分布，以获得可靠的电力供应。多项研究预计，即使只有少量的电动汽车，其无序充电也会对电网产生巨大影响，会增加基础设施的压力，并可能导致系统过载。

铝空气电池对于基础设施的要求相对很低。Jackson表示：“在基础设施方面，我认为我们没有产生很大的影响。我们不需要使用有电源的自动换电设备，但如果安装的是自动换电系统，那么使用车库前院的正常电源就足以驱动换电设备。我们当前的系统是专为手动换电而设计，使用的是带提手的约5公斤电池模块。对于这样的系统，基础设施实际上只是一个仓储和运输物流系统。”

在未来，通过购买铝空气电池适配器，客户可以把他们的电动汽车改装为锂铝空气混合动力汽车。Jackson称，“我们实验室里有一辆使用了4年的电动汽车，它的续航里程大约只剩下50英里。车的其他部分都很完好，可以正常运转，但续航里程只有区区50英里这么短这就实属浪费了，它已经不再是一辆真正的车。有了这个扩展器，我们可以使汽车多行驶300英里。这不仅会使汽车在二手市场上更具吸引力，而且还会加速新电动汽车的销售，这是毫无疑问的。”如果通过安装铝空气电池适配器能够减少充电次数，那么这项技术不仅可以延长锂电池的续航里程，还可以延长锂电池的寿命。

较低的环境影响

在确保电动汽车的环境友好性方面，虽然锂离子电池的回收技术仍有待开发，但铝空气电池的回收可能会容易得多，因为铝回收基础设施早已存在。除了可以用作电动汽车的动力来源之外，该技术在废金属回收利用方面还有其他有趣的应用，比如使用从废弃的飞机上回收的金属用来发电。Jackson说：“废料业务的潜力巨大，这就是更大的一个话题了。”该技术另一个潜在的应用是回收核燃料棒上的镁和铝制外壳用于为核电站现场提供绿色电力，这本一种具有高放射性且无法使用的材料。

铝空气电池在乘用车中的应用仅仅是个开始。由于铝空气电池可以产生巨大的能量，这为其开辟了更为广泛的用途。Jackson解释道：“很多人没有意识到航天飞机的固体火箭助推器是由铝粉提供动力的。在烟花和火箭中都可以看到铝粉的身影。它蕴含的能量巨大，但关键在于你如何获取到它的能量。”这种电源包还可用于海洋等部门，例如用于集装箱船和游轮、机场地面支持设备以及作为农村微电网的电源。Jackson还提到了一个位于加纳的潜在项目，该项目使用铝空气电池用于运输并为当地电网供电，能够为偏远地区的通信、学校和医疗设施提供现代化的服务，从而为偏远地区提供与大型人口中心建立经济连接的机会。

根据IEA的2050年净零排放路线图，2050年前二氧化碳减排的一半将由目前处于原型或示范阶段的技术来实现。这意味着铝空气电池等有前途的技术需要大规模商业化发展。但即使技术问题已经得到妥善解决，且应用场景十分广泛，但铝空气电池公司依然很难起步。一般来说，“电池”定义之外的替代能源很难获得资金支持。在欧盟“可持续和智能交通战略”中，欧洲委员会将充电站和加氢站列入其“充电和燃料补充”旗舰计划，但目前没有为可加注电池设定目标，而这本可为铝电池技术提供支持。很明显，中国也是类似的情景。在中国，电动汽车和氢燃料电池汽车被统称为新能源汽车（NEV），并且可以得到同等的支持，而新的替代技术却难以获得支持。

因此，与认同这个想法的合适的人员沟通就显得尤为重要。Trevor Jackson是幸运的，他表示：“当我在法国驻伦敦大使馆进行演示时，当时的主管是一名工程师，他明白其中的重要性。所以我搬到法国并成立了我们的公司Métalectrique SAS。我们对电解液进行了验证，并将其开发一定的水平，使其足以解决阻碍铝空气技术发展的工程问题。然而，由于锂离子电池仍是当下的首选技术，因此在没有太多政策支持的情况下，这将会充满挑战。如果没有针对铝空气电池的政策支持，汽车制造商会安全起见选择锂离子电池，这会影响未来长达数年的市场需求。”

在获得了一些私人投资以及华威先进推进中心（APC）提供的部分资金后，Trevor Jackson创立了MAL研究与开发有限公司，也就是他现在的公司。多年的坚持终于得到了回报。“我们已经与两家非常大的车企建立了联系，此外也有开发飞机和防御用的电池以及岛屿上的远程能源的机会找到我们。这些机会真的无可挑剔。除此之外，我们也进行了一些实验来开发改善吸气材料，并且在实验室里取得了非常好的效果。举个例子：我们的电池通常在26°C运行，但我们做了一些不同温度下的功率测试，将其提高到40°C，功率增加了30%！这真是发展的大好时机，”Jackson笑着说道。

应对气候危机需要多种解决方案。在交通领域，电动汽车已经取得了很好的发展并且前景无限。如果其他类似铝空气电池这样的替代技术可以帮助加速这一始于电动汽车的转型进程，那么我们的脱碳努力可能会更加有效。铝空气电池技术拥有8.1kWh/kg的巨大能量密度且可用资源丰富，理应得到人们更多的关注以充分发挥它的潜力。

Jackson总结道：“我们的技术已经被纳入APC的路线图，但只有20年的时间。我们现在真的是在打造我们的梦想！我们的核心技术现在已经处于最高的技术准备阶段。有人说这项技术是破坏性的，说的没错，但它确实能起到作用。如果真的想要达到净零目标，那就必须保持开放的心态。”

文：Helena Uhde、Veronika Spurna

ECECP 青年研究生学者

/ 译：赤洁乔