金属-空气电池有哪些及其原理 .pdfVIP

金属-空气电池具备倍率性能好、能量密度大、低碳可持续等优点，是一

种半储能半燃料式电池，被认为是新一代的储能与转化装置。著名学者于

1868年研制出世界第一个金属-空气电池，现如今，已发展出多种金属-空气

电池。由于大多数金属-空气电池的正极反应以氧气参与为主（此外还有二氧

化碳、氮气等），充放电过程基于正极区发生的氧气还原（ORR）和氧气析

出（OER）反应，本篇仅列举这类示例。

常见金属-空气电池（图源：王焕锋，《金属空气电池双功能正极催化剂的制备及电化

学性能研究》）

锂-空气电池

锂-空气电池的研究最早可以追溯至1976年，首次提出。电池负极为金

属锂，正极为具有合理孔结构带有ORR催化活性的复合材料，隔膜为玻璃纤

维或者PP膜，电解液一般为1M的LiTFSI溶解在TEGDME或者DMSO。

放电时，负极锂失去电子变为Li，Li跨越隔膜后迁移至正极。而正极侧在

++

催化剂的协助下，氧气获得外电路电子发生ORR反应产生中间体离子O2−，

Li与O结合成LiO，之后经过进一步电化学还原或者化学还原生成最终放

+2−

2

电产物LiO。充电时，LiO发生氧化反应生成LiO后进一步被分解为Li

+

22222-x

和O，Li迁移回到负极并重新生成金属锂。

+

2

锂-空气电池原理图（图源：王晓雪，《高比能锂氧气/锂二氧化碳电池正极关键问题及

新型策略研究》）

在整个电池的反应过程中，氧气是真正的正极反应物。而作为锂氧气电

池重要组分的多孔正极，其功能是承载活性材料，提供氧气和锂离子之间电

化学反应的“气-液-固”三相界面及在充放电过程中作为ORR/OER过程的

催化剂。

铝-空气电池

早在19世纪，金属铝就在电池材料中使用了。1960年，在燃料电池中

研究了铝阳极在空气电池系统中的理论，并对其可行性进行了探讨。1962年，

在实验中研究了金属铝-空气电池。之后，经过不断的发展，在1979年，使

用海水作为铝-空气电池的电解液并在电动汽车上进行应用。1990年起，各

领域都有了铝-空气电池的身影，如在化学电源、电动汽车、水下潜艇方面的

应用等。

铝空气电池原理图

铝-空气电池的负极消耗金属铝，由高纯铝或铝合金构成；正极消耗氧气，

由防水透气膜、催化剂及导电材料构成；电解液消耗水，由碱性溶液或盐性

溶液构成。电池工作过程中，金属铝在电解液中溶解形成白色金属氢氧化物

Al(OH)，氧气透过防水透气膜进入正极，与水在催化剂的作用下发生电化学

3

反应生成OH-，物质的化学能转换为电能。

锌-空气电池

锌-空气电池的研究最早可以追溯到1879年，麦歇等用锌片作为电池的

负极，空气电极采用碳和少量的Pt粉作为载体用以制造，氯化铵水溶液作为

电解质装配成历史上最早的锌-空气电池。

锌-空气电池由锌负极、电解液、空气正极和隔膜分离器构成。其负极可

以使用纯锌板、锌箔、锌合金等；电解液通常使用具有良好导电性和O扩散