[科普中国]-碱性金属-空气电池

碱金属是指在元素周期表中ⅠA族除氢（H）外的六个金属元素，即锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）、钫（Fr）。

金属-空气电池是以电极电位较负的金属作负极，以空气中的氧或纯氧作正极的活性物质。金属-空气电池电解质溶液一般采用碱性电解质水溶液。

目前常见的是锂空气电池。

特点金属-空气电池的主要特点：

（1）比能量高。由于空气电极所用活性物质是空气中的氧，它是用之不竭的，理论上正极的容量是无限的，加之活性物质在电池之外，使空气电池的理论比能量比一般金属氧化物电极大得多，金属空气电池的理论比能量一般都在1000W·h/kg以上，实际比能量在100W·h/kg以上，属于高能化学电源。下图为部分金属-空气电池的性能。

（2）价格便宜。锌-空气电池不采用昂贵的贵金属作电极，构成电池材料均为常见的材料，所以价格便宜。

（3）性能稳定。特别是锌-空气电池采用粉状多孔锌电极和碱性电液后，可以在很高的电流密度下工作，如果采用纯氧代替空气，放电性能还可以大幅度提高。根据理论计算，可使电流密度提高约20倍。1

缺点金属-空气电池存在以下缺点。第一，电池不能密封，易造成电液干涸及上涨，影响到电池的容量和寿命，如果采用碱性电液还容易发生碳酸盐化，增加电池的内阻，影响放电。第二，湿贮存性能差，因为电池中的空气扩散到负极会加快负极的自放电。第三，采用多孔锌作负极，需要汞齐化，汞不仅危害工人健康而且污染环境，需要非汞缓蚀剂取代。1

锂空气电池锂空气电池是一种用锂作负极，以空气中的氧气作为正极反应物的电池。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。

放电过程：负极的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在正极与氧气、以及从外电路流过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在正极。锂空气电池的开路电压为2.91 V。

理论上可实现大容量的“锂空气电池”作为新一代大容量电池而备受瞩目。不过此前的锂空气电池存在正极蓄积固体反应生成物，阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问题。

负极(金属锂)采用有机电解液，正极(空气)方面则使用水性电解液，两极由固体电解质隔开，以防止两电解液发生混合。由于固体电解质只通过锂离子，因此电池的反应可无阻碍地进行。正极的反应生成物具有水溶性，不产生固体物质。实验证明该电池可连续放电50000mAh/g(空气极的单位质量)。

该技术极有望用于汽车电池。如果在汽车用支架上更换正极的水性电解液，用卡盒等方式补充负极的金属锂的话，汽车可实现连续行驶且无需充电等待时间。可以从用过的水性电解液中轻松提取金属锂，锂能够反复使用。可以说是用金属锂作为燃料的新型燃料电池。

锂离子电池目前已经开始在电动汽车上应用，为了实现长距离行驶，作为蓄电池时的高性能化和低成本化备受期待。但目前的锂离子电池受制于电池容量很难实现长距离行驶，要实现长距离行驶必须在汽车上配备大量的电池，因此存在车体价格大幅上升的问题。

要实现电动汽车的普及，能源密度需达到目前的约6～7倍。因此，理论上能源密度远远大于锂离子电池的金属锂空气电池备受关注。由于锂空气电池的正极使用空气中的氧做活性物质，理论上正极容量无限大，因此可实现大容量。1

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学