新能源材料-金属空气电池

锌-空气燃料电池锌-空气燃料电池可以应用于各种领域，例如移动电话、笔记本电脑、电动汽车等。

它不仅具有高能量密度和长续航里程，而且燃料电池使用的是锌颗粒和空气中的氧气，相比传统电池更环保。

然而，锌-空气燃料电池也存在一些挑战和问题，例如金属锌的储存和输送、空气中的湿度对电池性能的影响等。

因此，科学家们正在不断研究和改进锌-空气燃料电池的技术，以便更好地满足未来能源需求。

本文将对锌-空气燃料电池的原理、优势、挑战和发展前景进行深入探讨，以期为读者提供更多有关这一领域的知识和信息。

一、锌-空气燃料电池原理锌-空气燃料电池的工作原理是利用金属锌和空气中的氧气进行化学反应。

当两者在电池中发生化学反应时，会产生电子和离子，从而产生电能。

具体来说，锌-空气燃料电池包括阳极、阴极和电解质三部分。

阳极：阳极是由锌金属组成的，当阳极和电解质接触时，会产生离子和电子，离子会通过电解质向阴极迁移，而电子则通过外部电路向阴极流动，产生电能。

阴极：阴极是由氧气组成的，当阴极和电解质接触时，会吸收到从阳极传来的离子和电子，进而与之结合产生水。

电解质：电解质是连接阳极和阴极的介质，它具有一定的离子传输功能，可以使阳极和阴极之间的化学反应得以进行。

电解质通常是一种固体材料，它不会与金属锌和氧气进行反应，因此可以长时间地维持电池的工作。

总的来说，锌-空气燃料电池的工作原理就是利用金属锌和空气中的氧气进行化学反应，并将产生的电能输出到外部电路中。

这种化学反应的过程非常清洁、高效，不会产生有害的环境污染物质，因此备受人们关注。

二、锌-空气燃料电池的优势锌-空气燃料电池具有许多优势，使其成为一种具有巨大发展潜力的新能源技术。

1. 高能量密度锌-空气燃料电池具有很高的能量密度，可以达到传统电池的2-3倍。

这意味着它可以存储更多的能量，从而在相同体积和重量下提供更长的续航时间，这对于移动设备和电动汽车等需要长时间使用的场合非常重要。

2. 环保锌-空气燃料电池使用的燃料是金属锌和空气中的氧气，在反应过程中产生的产物只有电池内部的锌氢氧化物，不会产生二氧化碳等有害的环境污染物质。

金属空气电池基础知识科普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。

铝空气电池堆
铝空气电池是一种以铝为负极、氧为正极的化学电源，其化学反应与锌空气电池类似。

铝空气电池以高纯度铝Al（含铝%）为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。

铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。

这种电池具有比能量大、质量轻、无毒危险、铝的原材料丰富且回收再生方便等优点。

此外，由于其采用的是低成本的氧化锰催化剂，并且不需要质子交换膜，因此铝空气电池电堆成本可降低40%左右，同时铝空气电池系统成本约为氢燃料电池系统的82%左右。

但是，铝空气电池也存在一些缺点，如比功率较低、充电和放电速度比较缓慢、电压滞后、自放电率较大等。

此外，由于其工作时会过热，因此需要采用热管理系统来防止过热。

以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅相关论文或咨询化学电源领域的专家。

铝空气电池原理
铝空气电池是一种新型的电池技术，使用铝和空气作为主要材料。

它的原理主要涉及两个过程：铝氧化和氧还原反应。

首先，铝极在电解液中发生氧化反应，将铝离子释放出来，并释放出电子。

这个过程可以表示为：
Al → Al3+ + 3e-
同时，空气（通常指的是氧气）在电极表面发生还原反应，接受铝电子，生成氧化物。

这个过程可以表示为：
O2 + 4e- + 2H2O → 4OH-
两个反应共同构成了铝空气电池中的电化学反应。

铝离子和氧化物离子通过离子导体（通常是电解液）进行离子传输，而电子则通过电路进行电子传输。

在电化学反应中，铝极逐渐被氧化，而空气电极逐渐被还原。

这导致铝空气电池产生了电势差，可以驱动电子在电路中流动，从而产生电能。

铝空气电池的优点是具有高能量密度、不可充电等特点，适用于一次性使用的电源。

然而，它也存在一些挑战，比如电极的反应速率和电解液的稳定性等问题，这些问题仍在研究中得到解决。

空气电池氯化铝铝-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：空气电池是一种利用空气中的氧气作为氧化剂和铝作为还原剂的电池。

它是一种绿色、环保的电池技术，具有高能量密度、可持续使用和安全性高等优点。

氯化铝是一种无机化合物，化学式为AlCl3。

它具有很强的腐蚀性，在常温下为白色结晶固体。

氯化铝在化工工业、制药工业等领域有广泛的应用，如催化剂、脱水剂和电解质等方面。

铝是一种常见的金属元素，化学符号为Al，原子序数为13。

它具有轻质、良好的导电性和导热性等特点，在航空航天、汽车制造、建筑和包装等领域有广泛的应用。

本文将重点介绍空气电池、氯化铝和铝的原理、性质和应用领域，探讨它们之间的关系，以及对环境和能源的影响。

最后，展望空气电池技术、氯化铝和铝的未来发展前景。

通过本文的阐述，读者将更好地了解空气电池、氯化铝和铝这些重要的科技和材料，并认识到它们对于推动可持续发展和节能减排的重要作用。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下:文章结构部分旨在给读者呈现本文的整体框架和组织方式。

本文分为引言、正文和结论三个主要部分。

在引言部分中，我们将概述本文的主题，介绍空气电池、氯化铝和铝的基本概念，并明确本文的目的。

在正文部分，我们将详细探讨空气电池、氯化铝和铝的各个方面，包括它们的原理、优点、物理性质、化学性质和应用领域。

最后，结论部分将总结和归纳空气电池、氯化铝和铝之间的关系，分析它们对环境和能源的影响，并展望未来的发展前景。

通过这样的文章结构，我们希望读者能够全面了解空气电池、氯化铝和铝的相关知识，并对其在环境和能源领域的潜力有更深入的了解。

1.3 目的本文旨在探讨空气电池、氯化铝和铝的相关性，并分析它们对环境和能源的影响。

同时，本文还将研究它们的物理性质和化学性质，以及它们在不同领域中的应用。

通过对这些内容的研究，本文旨在为读者提供关于空气电池、氯化铝和铝的全面了解，并展望它们在未来的发展前景。

通过深入研究这些问题，我们将能够更好地理解这些材料的特性和用途，并为环境保护和可持续能源发展提供更多的解决方案。

２０１４．２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．２金属－空气电池由具有反应活性的负极材料和空气电极经某些电化学反应组合而成（其结构如图１所示），兼具原电池和燃料电池的特点，有很高的质量比能量和体积比能量，而且容量大、成本低、放电稳定，且正极材料用之不尽，被认为是未来很有发展和应用前景的新能源，所以科研工作者对金属－空气电池的开发做了很多的努力。

现在金属－空气电池中已开展研究的有：锂－空气电池、锌－空气电池、铝－空气电池、镁－空气电池、铁－空气电池、钠－空气电池等，下面是国外一些有关金属－空气电池的研究进展。

１各国研究进展美国ＩＢＭ正在研发的一项很有前景的技术就是锂－空气电池。

锂－空气电池是通过锂与空气中的氧发生化学反应产生电力。

它的原理是在行驶过程中将空气中的氧分子与电池中的锂离子及电子进行反应，从而产生电能。

每次充电的时候，氧气就会被排出电池之外。

目前市售电动汽车（ＥＶ）配备的锂离子电池使用了重金属氧化物，由于锂－空气电池不使用重金属氧化物，从而可大幅减轻电池质量，此外还把比能量提高１０倍左右。

和现有锂电池相比，锂－空气电池容量更大，其储电能力是目前锂电池的４￣５倍。

ＩＢＭ是锂－空气电池技术研发的领导者，自２００９年以来，ＩＢＭ公司一直致力于“电池５００”项目的研究，２０１２年日本旭化成（ＡｓａｈｉＫａｓｅｉ）及中央硝子（ＣｅｎｔｒａｌＧｌａｓｓ）２家公司加入ＩＢＭ“电池５００”项目团队（图１），共同合作开发锂－空气电池。

２０１４年ＩＢＭ锂－空气电池样品有望问世，不过要实现商业化则还需要５￣１０年的时间。

麻省理工学院的科研小组将转基因病毒用于纳米线的生产，可提高锂－空气电池的效率，使超轻质量的锂－空气电池应用到电动汽车的可能性大大提高。

转基因病毒能够有效地从水中提取氧化锰，捕捉水中的金属分子，并在纳米线表面生成大量的粗糙、有凸起的表面结构形状，可作为电池正极。

研究者表示这种生成过程与鲍鱼壳的形成非常相似：从海水中吸收钙，以固态的形式储存。

锂空气电池的工作原理1. 介绍锂空气电池的结构锂空气电池的结构主要包括锂阳极、氧气阴极、电解质和隔膜等部分。

锂阳极和氧气阴极之间通过电解质和隔膜隔开，以防止两者直接接触而发生短路或者其他问题。

（1）锂阳极锂空气电池的阳极通常由锂合金或者锂离子构成，这种材料具有高能量密度和低电位的特点，适合作为锂空气电池的阳极材料。

锂合金或者锂离子在放电过程中会脱除电子并向电解质中的阴极迁移，同时释放出电能。

（2）氧气阴极锂空气电池的阴极使用空气，因此被称为氧气阴极。

当电池处于放电状态时，氧气会与电解质中的阳离子发生氧化还原反应，从而释放出电能。

在充电状态时，氧气则被用来氧化阳离子并储存电能。

（3）电解质和隔膜电解质和隔膜在锂空气电池中起着重要的隔离作用，它们既能保护阳极和阴极不直接接触，又可以让阳离子和阴离子进行传输和交换。

同时，电解质要具有高离子导电性和化学稳定性，以保证电池的正常运行。

2. 锂空气电池的工作过程锂空气电池在放电和充电状态下存在不同的工作过程，下面将分别介绍这两个状态下的工作过程。

（1）放电状态在锂空气电池的放电状态下，锂合金或者锂离子会脱除电子，向电解质中的阴极迁移。

与此同时，氧气会与电解质中的阳离子发生氧化还原反应，释放出电能。

这个过程可以用以下方程式描述：阴极：O2 + 4e- + 4Li+ → 2Li2O阳极：2Li → 2Li+ + 2e-整体反应：2Li + O2 → 2Li2O这个氧化还原反应产生的电能可以被外部电路所捕获，并用于驱动电子设备或者储存起来。

（2）充电状态在锂空气电池的充电状态下，相反的反应过程会发生。

通过外部电源提供电能，并通过将氧气还原为氧化物并将锂离子还原为金属锂的反应，将电能储存起来。

反应可以用以下方程式描述：阴极：2Li2O → O2 + 4Li+ + 4e-阳极：2Li+ + 2e- → 2Li整体反应：2Li2O + 4Li → 4Li2O这个循环过程使得电池能够在放电和充电状态之间切换，并实现对电能的储存和释放。

新能源汽车金属空气电池课程教学设计一、任务引入（时间： 5分钟）【知识回顾】1. 超级电容池的结构原理及特点2. 超级电容电池的充放电特性。

【任务分析】本次课学习内容包括金属空气电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。

【目标要求】1.了解金属空气电池的类2.掌握金属空气的结构和工作原理3.了解金属空气电池正负极材料【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。

二、知识准备（时间：40分钟）【相关知识】1.导入新课金属空气电池是用金属燃料代替氢能源形成的一种新概念电池，有望成为新一代绿色能源。

它发挥了燃料电池的众多优点，将锌、铝等金属像氢气一样提供到电池中的反应位置，与氧气一起构成一个连续的电能产生装置，金属空气电池既有丰富的廉价资源，又能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，是很有发展和应用前景的新能源。

下面我们一起进入金属空气电池的学习。

2.讲授新知识引导问题 2：金属空气的概念和相关知识？教学开展：以一金属空气电池汽车引发学生探索兴趣，然后提出引导问题引导学生探索超级电容的相关知识。

一、金属空气电池简介金属空气电池（MAB ）是一类特殊的燃料电池，也是新一代绿色二次电池的代表之一。

金属空气电池发挥了燃料电池的优点，以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌（或铝、锂等）作为负极活性物质，空气中的氧气可源源不断地通过气体扩散电极到达电化学反应界面与金属锌（或铝）反应而放出电能。

金属空气电池具有成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点，因此，被称为是面向21世纪的绿色能源。

二、金属空气电池的结构及工作原理1. 正极（空气电极）一个空气电极一般由三层组成：催化层、防水透气层及用来增加电极机械强度的金属集流导电网。

空气中的氧在电极参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散，在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行电化学还原。

因此，催化层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极性能的好坏。

金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能的一种特殊燃料电池。

金属空气电池以活泼的金属作为阳极，具有安全、环保、能量密度高等诸多优点。

具有良好的发展和应用前景，甚至被寄予厚望替代当前新能源汽车主要的动力电池类型—锂离子动力电池。

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。

本文将分别介绍上述几种金属空气电池的研发及应用进展。

一、铝空气电池1、工作原理铝空气电池以高纯度铝Al（含铝99.99%）为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。

铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。

2、特点铝空气电池具有无毒、无害、无污染，可回收循环使用等特点。

对于电动汽车来说，铝空气电池具有质量轻、比能量大的显著特点。

资料显示，铝空气电池的理论比能量可达8100Wh/kg，目前的实际比能量约实现了350Wh/kg，是锂电池的2.3倍，镍氢电池的6倍，铅酸电池的7倍多。

这种电池对于减轻汽车重量，增加续航里程具有明显的帮助。

3、研发及应用进展国外：据相关资料，美国加利福尼亚州在使用铝空气电池的电动汽车上，有过只更换一次铝电极续驶里程达1600km的记录。

美铝加拿大公司和以色列公司Phinergy新展示的100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的足够电量。

国内：云铝股份与昆明冶金研究院共同出资组建创能铝空气电池股份有限公司，投资铝-空气电池研发项目。

目前，创能铝空气电池研发项目正在推进中。

中国动力与PHINERGY成立合资公司，计划在大巴、旅游车、物流汽车及运动型多用途汽车等电动车型推广铝空气电池。

并计划在大陆、香港、澳门进行推广。

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O2−结合成LiO2，之后经过进一步电化学还原或者化学还原生成最终放电产物Li2O2。

充电时，Li2O2发生氧化反应生成LiO2-x后进一步被分解为Li+和O2，Li+迁移回到负极并重新生成金属锂。

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。

文章编号：1009-8119 ( 2018 ) 03 ( 1 ) -0064-04金属空气电池在军民两用领域的应用研究史腾飞李仲铀董姗姗王珊珊(中国船舶工业综合技术经济研究院，北京100081摘要随着新能源技术的不断发展，金属空气电池因其具有容量大、成本低、清洁环保及放电稳定安全等特性而受到了广泛重视。

与传统的燃料电池相比，金属空气电池以氧气作为氧化剂，活性金属作为负极，并通过与 电解液进行反应而产生电能，其原理与干电池类似，是当前新能源电池发展的重要方向之一。

对当前几种前沿金 属空气电池的研究进展及其应用进行了分析与研究。

关键词金属空气电池，军用，民用，应用近年来，随着新能源技术的发展，电力系统越来越多 地被应用于代替传统的能源系统，充电站、电动汽车、电 力推进器系统等已成为当前新能源技术应用的热门方向， 而电源装置则是新能源技术发展的关键。

金属空气电池是 一种新型化学电池，兼具原电池和燃料电池的优点，具有 比功率高、使用年限长、节能环保等优点，并且因原材料 较为丰富而成本较低，是面向21世纪的新型清洁绿色能源 之一。

目前，金属空气电池的主要类型有铝一空气电池、 锌一空气电池、镁一空气电池、埋一空气电池、钠一空气 电池，以及铁一空气电池。

本文将对以上几种金属空气电 池的国内外研究进展及应用情况进行介绍。

1金属空气电池发展情况概述1.1金属空气电池的原理及结构金属空气电池是以金属或金属混合物为电池负极，以 空气中的氧或纯氧作为正极的活性物质，在中性或者碱性 电解液的条件下发生氧化还原反应，在反应中释放电子而 产生电流的装置，如图1所示。

图1金属空气电池放电时的状态在放电时，氧气在正极发生还原反应，方程式如下:O 2+2H 2O +4e -—4OH -相应的负极通常只能以不同金属M 失去电子来进行平衡，反应方程式如下：M ^M "++«e -由于负极所用的金属不同，金属电池的性质有所不 同。