如图所示,金属空气电池主要由正极、负极、电解液三大部分组成。金属空气电池的工作原理如下。

金属空气电池现在使用的电解质大多数为中性或者碱性，电池放电过程中，正极反应都是氧气的还原，反应方程式为：

O2+2 H2O+4 e =4 OH-E=0.401 V

金属/ 空气电池的理论能量只能以负极金属的能量来衡量，负极的电化学反应可以写成：

M→Mn++n e

式中：M 代表的是电池中所用的金属，n 值的大小取决于电池中金属被氧化的价态。

金属空气电池的优缺点如下表所示：

早在1975年前后，在加拿大Aluminum power等公司倡导下，金属空气电池技术就获得了很大的发展，特别是一次新空气电池得到了一些应用。当时，美国能源部（DOE）曾投资几百万美元支持劳伦斯-利佛莫国家实验室（LLNL）研制替代内燃机的金属空气电池。但是到了1984年前后，由于未能突破关键技术，金属空气电池技术发展很慢、水平很低，DOE再无兴趣继续投资。世界各地的研究工作也相继陷入低谷。最近几年，金属空气电池的研发又迎来了第二个春天。

现在金属空气电池中研究最多的就是四种：锌空气电池、铝空气电池、镁空气电池、锂空气电池。而科学工作者也对铁空气电池进行过研究，但由于铁空气电池的放电电压和质量比能量都较低，并且开发使用成本相对于其它金属空气电池要高，所以现在科研工作者对这类空气电池研究的较少。以下将分别讲述这四种电池的发展情况。

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铝空气电池

铝空气电池（铝燃料电池）是以铝或铝合金为负极，以空气为正极，以中性或碱性水溶液为电解液而构成的一种空气电池。

优势：该电池负极铝的电化学当量很高，为2980Ah/kg，电极电位较负，是除金属锂以外质量比能量最高的轻金属电池材料。铝空气电池的质量比能量实际可以达450Wh/kg，比功率达到50-200 W/kg。并且铝的含量丰富，还可以回收利用。

劣势：目前该电池还面临着一些需要解决的问题，第一，金属铝表面由于存在着一层钝化膜，会抑制铝的失电子氧化反应，导致了铝电极电位的升高，电池电压下降；第二，铝表面的氧化膜遭到破坏又会导致大量析氢，并难以使其溶解停止，导致电池自腐蚀放电严重；第三，空气电极面临着与锌空气电池中相同的问题。

铝空气电池的发展史

铝空气电池的问世到现在也有70多年了，现在就简单总结一下国内外这种电池的“演化”。

（来源：新材料在线）

最新的研究应用进展

国外：2014年7月，Alcoa（美铝公司）和以色列Phinergy公司最近在位于蒙特利尔的维伦纽夫赛车场对一台电动车进行了测试，而真正惊人的是随后发布的新闻稿——该车搭载了两家公司联合开发的铝空气电池后，其续航里程可以增加到994英里（约合1600公里）。

国内：2016年7月，德阳东深新能源科技有限公司与中国铁塔德阳分公司正式签订采购合同，将为其提供1000台铁塔基站电源。具有颠覆性的是，这些电池用金属（铝）作为燃料电源。此外，他们还与西北工业大学无人机研究所合作完成国内首台长航时铝空动力无人机试飞，飞行时间达20小时以上。他们同时也正在和沈阳航空航天大学、辽宁通用航空研究院合作，完成电动双座轻型飞机铝空动力电源样机及测试。

2017年2月，云南冶金集团创能金属燃料电池股份有限公司通过自主研发突破铝空气电池关键材料及其制备技术，低成本空气电极寿命达到7000小时，达国际领先水平；采用水电铝生产的低成本特种铝合金阳极性能可与美铝的高纯铝媲美；采用国际领先的电解液技术，实现了废电解液综合回收制备高附加值超细氧化铝、阻燃剂等多品种氧化铝。

2017年3月，据报道称东深科技突破了铝燃料电池技术上的诸多瓶颈、并率先实现产业化，开创了金属铝在能源领域应用的先河。东深科技的铝燃料电池UPS电源已经和中国铁塔、中国移动、中国电信、政府信息中心等机构达成了示范项目供货协议，商业化应用正在逐步推广，为满足市场需求，公司正在筹建年产5万台UPS的生产基地；铝燃料电池纯电冷链物流车方面，公司已经完成了满足国内标准的1吨验证车组装和测试工作。

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锌空气电池

锌空气电池（zinc air battery），用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池，分别用字母A和P表示，其后再用数字表示电池的型号。

锌空气电池的历史也很悠久，可以追溯到1878年。锌空气电池更加类似我们所实用的干电池，实际上在很多领域，锌空气电池也在替代干电池。锌空气电池的能量密度较高，可以达到每公斤0.3千瓦时，比锂电池高一，并且价钱便宜，锌材料比锂便宜的多。

优势：

（1）高安全性

在室温附近以水溶液作为支持电解液进行工作，空气流通过程能够将热量从电堆中带出，从原理上完全避免锂电池中“热失控”导致碳酸酯类有机溶剂电解液燃烧的可能性。金属锌无毒无害，电池“生产-使用-废弃”的全生命周期具有最低的环境负荷。

（2）高比能量

由于该电池正极使用空气中的氧气作为活性物质，容量无限；电池比能量取决于负极容量。通常的锌空气一次电池理论比能量达到1084Wh/kg，是现有的锂离子电池的 5～6 倍。无论作为动力电池用于纯电动汽车等移动交通工具，还是用于新能源发电过程储能，都具有广阔发展前景，被国内外当作重点发展的下一代电能转化与储能技术。

（3）低成本

电池成本主要由锌电极、空气电极、电解质溶液等电池关键部件决定，在碱性电解质水溶液中，能够避免使用贵金属催化剂制备空气电极。由于使用锌和空气中的氧气作为工作介质，锌空气电池成本远低于现有锂离子电池、氢氧燃料电池等化学电源，有望成为未来电动汽车动力电源和大容量储能的优选技术。

劣势：

锌空气电池也有两个问题：

首先功率密度低，使用锌空气电池的电动车的虽然续航里程不逊色于锂电池电动车，但是加速、爬坡性能都很糟糕，实用性不佳；

其次产业链不匹配，锌空气电池和氢燃料电池类似，也需要更换材料，锌空气电池需要把氧化锌更换为金属锌，这就需要从发电厂，到电解锌工厂，锌电池制造厂，到汽车换电池站等一系列的产业链配套。这些都要从头开始，同样远不如锂电池成熟，要实用化也需要走很长的路。

锌空气电池的发展史

1878年法国的L.梅谢在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包，开发了锌空气干电池的技术。

1917年法国人C.费里用活性炭代替铂，用以吸收氧，达到了锌空气电池的实用化。

1932年G.W.海泽与E.A.舒梅赫尔又发表了采用碱性电解液的锌空气电池。

60年代由于对宇航用常温燃料电池的氧电极的研究得到了很大的成功，大功率锌空气电池的开发才达到了实际应用阶段。

70年代中期又发展了微型纽扣式锌空气电池。之后对锌空气电池的研究一直持续发酵。

研发及应用进展

国外：2015年4月，美国纽约EOS储能公司(EOSEnergyStorage)声称他们已经开发出一种更加绿色环保的锌空气电池。一个0.3千瓦的电池可以实现2700次充放电没有性能衰减。其最终目标是实现1万次循环，产品在电网储能中维持30年寿命。

2015年8月，加拿大滑铁卢大学“锌空气电池第一人”陈忠伟博士研究团队利用硅电极制备的锌空气电池能量密度，其密度在原基础上提高了40%。

国内：2011年国内首个锌空气电动公交车正式下线，据悉此锌空气电池纯电动城市公交车每充一次电可行驶约300公里，最高时速可达每小时80公里，其运营成本比传统锂电池电动汽车低三分之一。此外武汉泓元伟力新能源科技有限公司首个锌空气电池基地已于2010年10月启动，锌空气电池产品已进入试生产阶段。

2012年3月，中国航空工业集团公司宣布，与北京长力联合能源技术有限公司联合成立中航长力联合能源科技有限公司，以及北京锌空气电池研究中心，共同推动北京市锌空气电池产业化。

2015年6月，天津市重大工业项目的锌空气燃料电池产业化项目(一期)，通过国家863动力电池测试中心产品检测鉴定，形成年产5万组新能源汽车用锌空气燃料电池组的生产能力，投入商业化运行。

2016年4月，山西天朔电动汽车有限公司与中南大学周教授最新研制的锌空气电池进行合作，以期通过采用锌空气电池，使电动汽车能够明显提高车辆的续航里程。2016年5月工信部批复了《电动汽车用锌空气电池行业标准》，于2016年11月正式实施。

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锂空气电池

锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度,因为其阴极以多孔碳为主很轻,且氧气从环境中获取而不用保存在电池里。

优势：锂空气电池体系的理论能量密度是现有化学电池体系中最高的(H2-O2燃料电池反应除外)，达到11140 Wh/kg，与汽油机理论能量密度相接近，是目前高性能锂离子电池理论能量密度的10 倍以上。

劣势：①由于电池反应产物LixOy不溶于电解液，因此会在空气电极孔道中进行沉积，长时间放电后会导致O2孔道堵塞以及覆盖催化活性点，引起电池过早失效。

②如果电池过长时间的暴露在空气中，空气中的微量水分会不断向负极扩散，并最终对金属锂负极造成腐蚀。

③有机电解液在空气电极一侧的挥发目前还无法完全避免。

④在二次锂空气电池中，空气中存在的CO2会与反应产物作用发生碳酸盐化，导致产物无法可逆充电。

锂空气电池的发展史

1976年锂空气电池的概念被提出；

1979年K. F. Blurton , A. F. Sammells 在J. Power Sources上发文并强调Zn-Air电池的发展潜力，并提出空气电池可以应用于汽车。

1996年Abraham et al提出以金属锂为负极，碳吸附氧为正极，有机物（LiPF6）为电解液，的Li-O2电池体系并提出两个反应方程：

2Li + O2 →Li2O2 (2.96 V)和4Li + O2 →2Li2O2 (2.91 V)

2006年Bruce等人以MnO2为催化剂，证明了放电产物Li2O2的可逆转化。

2009年IBM启动“Battery500”计划，目标实现Li-Air电池驱动的汽车达到500KM续航。

研发及应用进展

国外：英国剑桥大学所研制出的锂空气电池能够循环充电2000次以上。该电池在理论上的能源使用效率超过90％;美国IBMAlmaden Reseach Center正在进行锂空气电池研究，日本旭化成株式会社和Central硝子株式会社两家企业参加了该项目。研究小组计划到2020年实现锂空气电池的大量生产和推广应用。

国内：中国科学院长春应化所张新波研究员带领的科研团队通过抑制锂空气电池电解液分解，调控空气电极固—液—气三相界面以及优化锂—空二次电池体系与结构，成功将锂空气电池循环寿命从文献报道的最长100次提高至500次。然而目前锂空气电池只能在实验室中进行充放电实验，未能实现大规模的商业化应用。

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镁空气电池

镁空气电池是以金属镁或镁合金作为负极活性物质，以空气中的氧气作为正极活性物质，氧气通过气体扩散电极到达气- 液- 固三相界面与镁负极反应而放出电能。

优势：

环保节能：镁及镁合金的比重轻，采用镁金属燃料电池不仅能量高，而且重量轻，非常适宜便携式电源、野外作业电源等使用。

使用安全：镁空气电源在用中性盐水作电解液中反应，反应物为金属镁合金、水和氧气，产物绝大部分为氢氧化镁沉淀物，经过不反应物和产物都无毒无污染。回收后的氢氧化镁经过烧还原，可重新制成镁锭循环利用。

应用领域广：中功率的照明、通讯设备、小家电等耗能产品、固定式户外照明、车载或小型船舶携带的紧急备用电源等，有效降低用电成本，解决缺电区域用电问题和紧急备用电源稳定电流。

劣势：

(1)容量损失大，(2)负极利用率低，(3)电压损耗大。其中，容量损失大和负极利用率低主要是由于镁的自腐蚀引起的，而镁的负差效应将进一步加剧镁的自腐蚀，

镁空气电池的发展史

早在20世纪60年代，美国GE公司就对中性盐镁燃料电池进行了研究。随后美国海军海底战事中心(Naval Undersea Warfare Center)与麻省理工大学(University of Massa-chusetts Dartmouth)以及BAE Systems公司共同研制成功了用于自主式潜航器的镁-过氧化氢燃料电池系统。该电池采用海水作电解质，镁合金作阳极材料，液态过氧化氢作阴极氧化剂。该电池提供了一个成本较低并且更为安全的高能动力，是低速率、长寿命的自主式潜航器的理想驱动电源。

20世纪90年代初，Westinghouse公司研制出了海洋应用的圆柱型海水电解质镁/空气燃料电池。1996年，挪威与意大利共同开发了镁燃料电池，并应用于180m深的海底油井或气井探测的海洋水下自动控制系统。该海水电池采用商业镁合金作阳极，海水作电解质，海水中溶解的氧为氧化剂，阴极用碳纤维制造。这个电池系统能量达到650kWh，系统设计寿命为15年。加拿大Greenvolt Power公司研制的100W和300W级镁/盐水/空气燃料电池(MASWFC)，能量密度是铅酸电池的20倍以上，可为电视、照明灯、便携电脑、手机及GPS等设备供电。加拿大Magpower Systems公司研制的盐水电解质镁/空气燃料电池，能连续提供300W功率，成功应用于偏远地区水净化系统水泵的供电。

研发及应用进展

国外：韩国研发的一辆搭载完整镁空气电池的电动汽车能成功行驶800公里，是当前锂电池动力汽车平均续航里程的4倍;日本多家机构包括古河电池、尼康、日产汽车、日本东北大学、宫城县日向市等，正积极推进镁空气电池的大容量化研究;日本Agua Power公司已经成功开发制造和商业化镁空气电池，并已注册专利十多项。

国内：2015年，宁波材料所动力锂电池工程实验室成功研制出1000Wh镁空气电池样机，该镁空气电池的重量为2.3 kg，能量密度可达430 Wh/kg，最大输出功率可达80W;2016年7月，南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授、美国休斯敦大学姚彦教授联合研究团队，成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用于镁空气电池，大幅降低了成本，可在中性电解液中稳定工作，其优越的催化活性极大提高了镁空气电池的效率。

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金属空气电池的应用前景

中小型移动电源

金属空气电池可作为电动汽车、高尔车、叉车、电动自行车、电动摩托车、剪草机等的电源进入中小型移动电源市场。其中, 电动汽车的发展已成为一种必然趋势, 这是因为电动汽车不仅能以电为动力, 取代汽油作为燃料的地位, 缓解了世界石油枯竭的矛盾,而且还是零排放、零污染的绿色交通工具。金属空气电池由于其优良的性能价格比已成为各国电动汽车用电池的开发热点。在国内, 电动车用金属空气电池的研究也取得了很大的进展。

小型便携式电子装置用电源

加拿大的铝能源公司(Aluminum power Inc)已与多伦多大学、Eontech 公司组成联合集团(TrimolGroup)倾全力开发小型便携式金属空气电池, 试图打入蜂窝手机、膝上电脑、数码像机、碟片机、游戏机等小型电器市场。

水下军用电源

挪威国防研究所, 美国海军水下武器研究中心, 加拿大的铝能源公司从80年代起就着手探索将金属空气电池用于UUV(无缆水下艇)、DSRV(深海救援艇)以及AIP潜艇的可能性。与燃料电池相比, 金属空气电池还有独到的优点, 它无任何航迹, 金属电极体积小、更安全、易携带,只需在码头不必进船坞便可快速更换电极。如果以海水为电解液还可在耐压壳外工作。

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结语

综观以上信息，我们可以发现，金属空气电池中，铝空气电池和锌空气电池已经开始了规模化生产，镁空气电池在日本有了小规模生产，而锂空气电池还处于实验室研究阶段，离商业化还有不小距离。二十一世纪，是低碳的世纪，在环境状况日益恶化的情况下，能够取代能源燃料的清洁能源电池将极大地推进金属空气电池的发展，也希望在不久的将来这些安全、高效、环保的能源材料的真正的为我们的生活带来便利。

参考文献：

[1] 朱明骏，袁振善， 桑林，丁飞，刘浩杰等.金属/ 空气电池的研究进展[J].电源技术,2016，36(12):1953-1955.

[2] 朱梅,徐献芝. 碱性空气电池的发展及应用[J]. 电池工业，2004, 9(3): 149-151.

[3] 王兆文,李庆峰,高炳亮,等. 铝- 空气电池的开发与应用[J]. 有色矿治，2002(1): 38-41.

[4] 许艳芳,郑克文,等.金属空气电池的发展及应用[J]. 舰船科学技术,2003,25(1):66-69.

[5] 邵玉霞,等.电动汽车用动力电池之金属空气电池[J]. 汽车维护与修理,2013(8):77-79.

[6] 锂电池终结者？一文看懂金属空气电池研发及产业化现状！(微信公众号文章：烯碳咨询)

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