锂空/铝空/镁空/锌空，3分钟了解各种金属空气电池

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

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-

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

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。