电能非常容易损耗。如果不能在产生时立即使用，它会迅速以热量的形式消散。只有当大量的太阳能和风能可以被储存并随时使用时，电网的完全脱碳才能成为现实。毕竟，我们无法全天候利用太阳能和风能等可再生能源。
目前，锂离子电池在储能市场中占据了相当大的份额。但它们价格昂贵，涉及稀有金属的开采，并且远非环境可持续。寻找一种对生态破坏更小的替代品至关重要——到目前为止，科学家们正在借助钠、镁甚至海水等原材料，研究锂离子电池的替代品。但在过去的几年里，能源行业一直在投资金属-空气电池，作为下一代电网储能解决方案。
金属-空气电池早在1878年就已设计问世。这项技术使用大气中的氧气作为阴极（电子接收器）和一个金属阳极（电子供体）。这个阳极由廉价且储量丰富的金属组成，如铝、锌或铁。“这三种金属在金属-空气电池中的使用位居前列，”麻省理工学院电化学教授 Yet-Ming Chiang 说。
在1932年，锌-空气电池是第一种金属-空气电池，被广泛用于助听器。三十年后，NASA和GTE实验室的科学家们试图为NASA太空系统开发铁-空气电池，但最终放弃了。尽管如此，一些研究人员仍在追寻这项 elusive 的技术。
金属-空气电池的局限性与潜力
研究人员认为，理论上，金属-空气电池在六十多年来可以拥有比锂离子电池更高的能量密度。然而，它们在过去一再未能充分发挥其潜力。
在锂离子电池中，发电过程很简单。锂原子在电池充电和放电时只需在两个电极之间来回移动。
然而，涉及空气使得这个过程更加棘手，并增加了额外的挑战——充电困难。氧气与金属反应，产生一种化学物质，然后触发电解过程，释放能量。但是，在金属-空气电池中，转移过程大多数是一次性的，而不是一个可以来回进行的反应。由于大气中的氧气不断流入金属-空气电池，一旦启动，电池即使闲置也会迅速腐蚀，并且保质期缩短。
此外，金属-空气电池的瓦时/公斤（衡量单位电池质量的能量储存量）目前并不特别高。Chiang 告诉《科学美国人》，这是电动汽车现在无法使用铁-空气等金属-空气电池的主要原因。“锂离子电池的能量密度为 100 瓦时/公斤。但铁-空气只有 40 瓦时/公斤。能量储存和从电池放电的速率相对较低，”他说。
但他认为，尽管存在这些限制，固定式储能可能会利用铁-空气电池。在一家名为Form Energy 的初创公司，Chiang 和他的同事们一直在开发一种新的、低成本的铁-空气电池技术，该技术将在 2024 年前实现可再生能源的多日储存。
Chiang，同时也是 Form Energy 的首席科学官，补充说：“尽管它不适用于电动汽车，但铁-空气电池可以大规模商业化用于储能，并有助于在本世纪中叶减缓气候变化。”
金属-空气电池的新设计
Chiang 的团队在其电池技术中精炼了“反向生锈”的过程，该过程能有效地储存和释放能量。当铁发生化学氧化时，它会失去电子，这些电子通过电池的外部电路发送到其空气电极。大气中的氧气在空气电极处变成氢氧根离子，然后穿过到铁电极，形成氢氧化铁，最终变成铁锈。
Chiang 解释说：“当你反转电池的电流时，它就会‘解生锈’。根据电池是放电还是充电，电子要么被从铁中移除，要么被添加到铁中。”他声称，该电池可以以每千瓦时仅 20 美元的价格提供 100 小时的清洁电力——与锂离子电池高达 200 美元/千瓦时的价格相比，这是一个非常划算的交易。
但铁并不是唯一一种正在崛起的金属。随着开发用于储能的可持续金属-空气电池的竞赛加速，几家公司及其研究人员正忙于投资锌-空气和铝-空气电池。
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德国明斯特大学的材料科学家们通过一种新的电解质，该电解质由疏水离子组成，改进了锌-空气电池的设计。在传统的锌电池中，电解质可能是腐蚀性的，具有高 pH 值物质，使其具有足够的腐蚀性以损坏电池。研究人员通过确保疏水离子粘附在空气阴极上，从而使电解质中的水不会与进入的氧气反应，克服了这个问题。来自阳极的锌离子可以自由地迁移到阴极，在那里它们与大气中的氧气相互作用并重复产生电能。
随着研究人员越来越接近开发可充电锌-空气电池，一家加拿大公司 Zinc8 Energy 已经发布了其产品。这家初创公司使用锌-空气电池，其储罐包含氢氧化钾和充电锌。电网中的电力将化学锌酸盐分解为锌、水和氧气。这会给锌颗粒充电并储存电力。
当需要将电力输送到电网时，充电的锌会与氧气和水结合，释放储存的电能并产生锌酸盐。之后，整个过程重新开始。该组织宣布，他们将通过在纽约皇后区的一个太阳能电池板住宅建筑安装他们的技术，将这些锌-空气液流电池推向全球市场。
像铁一样，锌的产量很高并且拥有现成的供应链。另一种储量丰富的金属铝也正被用于开发铝-空气电池。但 Chiang 说，与锌-空气电池不同，铝-空气电池无法充电。铝生产的碳足迹也高于其他金属-空气电池选项。
到 2028 年，全球金属-空气电池市场预计将达到 11.73 亿美元，主要用于提供储能解决方案。但目前，投资者、行业分析师和消费者都热切期待下一个重大突破。
