作為在新一代電子產(chǎn)品、電力交通和電能儲(chǔ)存中應(yīng)用前景廣闊的能源設(shè)備，金屬空氣電池最突出的優(yōu)點(diǎn)即其可以將高能量密度的金屬負(fù)極與具備開(kāi)放結(jié)構(gòu)的活性空氣正極材料相結(jié)合。

制作金屬空氣電池，可選用的原材料比較豐富。目前已經(jīng)取得研究進(jìn)展的金屬空氣電池主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等。這幾種類型的金屬空氣電池有的已經(jīng)具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件，有的還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，有的已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)方面取得良好的應(yīng)用成果，并即將大規(guī)模裝載新能源車(chē)輛。

從鋰離子電池說(shuō)起——金屬空氣電池原理

我們以鋰空氣電池為例來(lái)看鋰離子電池和鋰空氣電池有何區(qū)別。

在鋰離子電池中，負(fù)極為碳，正極為不同過(guò)渡金屬氧化物，如鈷、錳、鐵等。二者均浸潤(rùn)于溶解有鋰鹽的電解液中。充電時(shí)，鋰離子從正極(陰極)移動(dòng)到負(fù)極(陽(yáng)極)多孔碳上，嵌入碳材料中，外部電流從負(fù)極流到正極(電子從正極移動(dòng)到負(fù)極)，形成閉合回路;放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，回歸正極，外部電流從正極流向負(fù)極(電子從負(fù)極移動(dòng)到正極)。最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子，即由電極的體積與質(zhì)量決定。

鋰離子電池原理

當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。此時(shí)正極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

同樣道理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過(guò)程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。此時(shí)負(fù)極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

不難看出，在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛(ài)的名字搖椅式電池。

但離子電池變成空氣電池后，有些原理和性能就會(huì)發(fā)生變化：在金屬空氣電池中，發(fā)生的是電氣化學(xué)反應(yīng)。還是以鋰空氣電池舉例，在放電過(guò)程中，含鋰正極釋放的鋰離子向負(fù)極移動(dòng)，并在其表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成過(guò)氧化鋰(Li2O2)。鋰離子、電子和氧氣是在負(fù)極多孔碳材料的表面發(fā)生反應(yīng)，負(fù)極材料本身并不參與反應(yīng)，只提供反應(yīng)的場(chǎng)所。因此，電池容量與負(fù)極材料的體積和質(zhì)量并無(wú)太大關(guān)聯(lián)，只取決于它提供反應(yīng)的場(chǎng)所大小，即其表面積大小。因此，金屬空氣電池很容易獲得較高的比能量密度。

鋰空氣電池原理(注意與鋰離子電池原理對(duì)比)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，金屬空氣電池就是以活潑金屬為負(fù)極，空氣(里的氧氣)為正極的化學(xué)電池，發(fā)生的基本化學(xué)反應(yīng)與普通化學(xué)電池相同。這種電池的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)來(lái)源就在于以氧氣為正極，而氧氣，就是通過(guò)多孔材料中的氧化劑(催化劑)從空氣中直接獲取的，因此，氧氣電極上的催化劑的作用也就極其關(guān)鍵了。

我們將抽象的鋰空氣電池原理圖形象化，得到下圖：

形象化的鋰空氣電池原理圖

其它幾種常見(jiàn)金屬空氣電池

1、鋁空氣電池

鋁空氣電池原理圖

鋁空氣電池以鋁為負(fù)極，空氣為正極，氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為電解質(zhì)。

負(fù)極：(Al)：4Al-12e-=4Al3+

正極：(Pt或Fe等)：3O2+6H2O十12e-=12OH-

總反應(yīng)式：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3↓

以上為電解質(zhì)為鹽性條件的反應(yīng)，當(dāng)電解質(zhì)變?yōu)閴A性條件時(shí)，電池反應(yīng)變?yōu)椋?/p>

4Al+3O2+6H2O+4OH-=4Al(OH)4-

2、鎂空氣電池

鎂空氣電池原理圖

水體系：

陽(yáng)極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應(yīng)：2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2

非水體系：

陽(yáng)極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2e-=O22-或O2+4e-=2O2-

總反應(yīng)： Mg+O2=MgO2或2Mg+O2=2MgO2

3、鋅空氣電池

鋅空氣電池又稱鋅氧電池，以鋅為負(fù)極，活性炭吸附空氣中的氧或純氧為正極活性物質(zhì)，氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)。

陽(yáng)極：Zn+2OH–→ ZnO+H2O +2e-

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：2Zn+O2→ 2ZnO

不同種類金屬空氣電池的比能量柱狀圖

這些金屬空氣電池都有開(kāi)放電池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為陰極活性物質(zhì)，即氧氣，提供反應(yīng)場(chǎng)所。而這種陰極活性物質(zhì)可以直接從空氣中源源不斷地獲取，節(jié)約成本，提高比能量密度。事實(shí)上，金屬空氣電池家族的成員都有著較高的比能量密度(如上圖)。這種高電能容量也取決于陰極活性物質(zhì)氧氣不用儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，陽(yáng)極金屬也能提供較多的價(jià)原子。尤其是鋰空氣電池，比能量密度高達(dá)11700Wh/kg，幾乎可以跟液體汽油相媲美。