学术干货∣一文读懂金属空气电池

作为在新一代电子产品、电力交通和电能储存中应用前景广阔的能源设备，金属空气电池最突出的优点即其可以将高能量密度的金属负极与具备开放结构的活性空气正极材料相结合。

制作金属空气电池，可选用的原材料比较丰富。目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等。这几种类型的金属空气电池有的已经具备大规模量产的条件，有的还停留在实验室阶段，有的已经在电动汽车方面取得良好的应用成果，并即将大规模装载新能源车辆。

•从锂离子电池说起——金属空气电池原理

我们以锂空气电池为例来看锂离子电池和锂空气电池有何区别。
在锂离子电池中，负极为碳，正极为不同过渡金属氧化物，如钴、锰、铁等。二者均浸润于溶解有锂盐的电解液中。充电时，锂离子从正极（阴极）移动到负极（阳极）多孔碳上，嵌入碳材料中，外部电流从负极流到正极（电子从正极移动到负极），形成闭合回路；放电时，锂离子从负极脱嵌，回归正极，外部电流从正极流向负极（电子从负极移动到正极）。最终电池的容量大小取决于有多少材料能够容纳锂离子，即由电极的体积与质量决定。

锂离子电池原理

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。此时正极发生的化学反应为：

同样道理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。此时负极发生的化学反应为：

不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。

但离子电池变成空气电池后，有些原理和性能就会发生变化：在金属空气电池中，发生的是电气化学反应。还是以锂空气电池举例，在放电过程中，含锂正极释放的锂离子向负极移动，并在其表面发生氧化反应，生成过氧化锂（Li₂O₂）。锂离子、电子和氧气是在负极多孔碳材料的表面发生反应，负极材料本身并不参与反应，只提供反应的场所。因此，电池容量与负极材料的体积和质量并无太大关联，只取决于它提供反应的场所大小，即其表面积大小。因此，金属空气电池很容易获得较高的比能量密度。

锂空气电池原理（注意与锂离子电池原理对比）

简单来说，金属空气电池就是以活泼金属为负极，空气（里的氧气）为正极的化学电池，发生的基本化学反应与普通化学电池相同。这种电池的主要特点和优势来源就在于以氧气为正极，而氧气，就是通过多孔材料中的氧化剂（催化剂）从空气中直接获取的，因此，氧气电极上的催化剂的作用也就极其关键了。

我们将抽象的锂空气电池原理图形象化，得到下图：

形象化的锂空气电池原理图

•其它几种常见金属空气电池

1、铝空气电池

铝空气电池原理图

铝空气电池以铝为负极，空气为正极，氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为电解质。

负极：（Al）：4Al－12e^-=4Al³⁺

正极：（Pt或Fe等）：3O₂+6H₂O十12e^-=12OH^-

总反应式：4Al+3O₂+6H₂O=4Al(OH)₃↓

以上为电解质为盐性条件的反应，当电解质变为碱性条件时，电池反应变为：

4Al+3O₂十6H₂O+4OH^-=4Al(OH)^4-

2、镁空气电池

镁空气电池原理图

水体系：

阳极：Mg-2e^-=Mg²⁺

阴极：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

总反应：2Mg+H₂O+O₂=2Mg(OH)₂

非水体系：

阳极：Mg-2e^-=Mg²⁺

阴极：O₂+2e^-=O2^2-或O₂+4e^-=2O^2-

总反应： Mg+O₂=MgO₂或2Mg+O₂=2MgO₂

3、锌空气电池

锌空气电池又称锌氧电池，以锌为负极，活性炭吸附空气中的氧或纯氧为正极活性物质，氯化铵或苛性碱溶液为电解质。

阳极：Zn+ 2OH^–→ ZnO+H₂O +2e^–

阴极：O₂+2H₂O +4e^-→4OH^-

总反应：2Zn+O₂→ 2ZnO

不同种类金属空气电池的比能量柱状图

这些金属空气电池都有开放电池结构的特点，为阴极活性物质，即氧气，提供反应场所。而这种阴极活性物质可以直接从空气中源源不断地获取，节约成本，提高比能量密度。事实上，金属空气电池家族的成员都有着较高的比能量密度（如上图）。这种高电能容量也取决于阴极活性物质氧气不用储存在电池内部，阳极金属也能提供较多的价原子。尤其是锂空气电池，比能量密度高达11700Wh/kg，几乎可以跟液体汽油相媲美。

参考文献及网站：
[1] Cheng F, Chen J. Metal-air batteries: from oxygen reduction electrochemistry to cathode catalysts.[J]. ChemInform, 2012, 41(24):2172-92.
[2] http://auto.163.com/16/0219/09/BG67A0M20008598H.html
[3] http://www.12365auto.com/parts/20160313/221886.shtml
[4] http://www.eepw.com.cn/article/270433.htm

本文由材料人编辑部学术干货组张文扬供稿，材料牛编辑整理。

材料人网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料人网向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、团队访谈、实验技能等皆可投稿，优秀稿件一经录用，我们会奉上稿酬，请联系：邮箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。

仪器设备、试剂耗材、材料测试、数据分析，找材料人、上测试谷！