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）

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—空气电池、锌—空气电池、镁—空气电池、锂—空气电池、钠—空气电池，以及铁—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。

在放电时，氧气在正极发生还原反应，方程式如下：

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：

由于负极所用的金属不同，金属电池的性质有所不同。在此，仅针对当前研究较多的几种金属空气电池进行介绍，对当前空气电池的发展及应用进行详细的分析。

1.2 几种主要研究的金属空气电池

1.2.1 铝—空气电池

近年来，铝空气电池因铝具有量大易产的特点而迅速地发展起来，在近几年的研究中占据了很大的比重。

铝空气电池的工作原理是通过负极（主要为铝合金材料）与电解液（通常为碱性溶液）发生反应而释放出电子，释放的电子通过外部负载流到正极（空气电极主要为氧气），空气电极得到电子后与水发生还原反应，从而使得化学反应持续进行。

其中，正极反应为：

负极反应为：

总的化学反应在不同的电解液条件下发生不同的放电反应。

中性溶液：

铝—空气电池具有较强的适应性，既可以用于陆地，也可用于深海，且比能量大、轻便及无毒无害。

1.2.2 锌—空气电池

当前，锌—空气电池的充电过程较为缓慢，因此，在负极被氧化后往往采取直接更换锌板和电解质的方法来提高反应速度。目前常用的锌—空气干电池采用含铂的炭电极来代替二氧化锰炭包，而且，高功率锌—空气电池往往将锌电极装在中间，而活性炭电极黏贴在外壁，在需要时仅需注入碱性电解质即可使用。这种临时激活的电池能够反复使用，电量耗尽后仅需更换锌电极和电解液即可，因此，易于携带。其放电时的化学反应如下：

负极反应式：

正极反应式：

总的化学反应式：

1.2.3 镁—空气电池

镁—空气电池采用镁作为负极来参与反应，并在反应过程中放电。镁的储量比较丰富，能够大幅降低电池的成本。镁空气电池的能量密度很高，日本研究人员称，其研发的镁电池的能量密度约为同等重量锂电池的10倍，但其阳极反应速度与锌空气电池类似，非常缓慢，因此，目前所采用的方法对镁空气电池所存储能量的转换是有限的。其放电时的化学反应如下：

负极反应式：

正极反应式：

总的化学反应式：

由于镁空气电池具有高电荷量的优点，且比当前的锂电池具有更广阔的应用空间，因此，镁—空气电池已成为当前能源电池研究的前沿方向之一。

1.2.4 锂—空气电池

锂—空气电池以锂作为负极，其电解质既可以是水溶液也可以是非水溶液，通过锂与氧气发生氧化还原反应而产生能量。当前最常用的锂电池是锂离子电池，已广泛应用于笔记本电脑和手机中，但其储电量较小。锂—空气电池的性能是锂离子电池的10倍左右，且体积更小、重量更轻，目前各个国家均在对锂—空气电池进行研究。在碱性水溶液作为电解液时，锂—空气电池放电的电池反应为：

负极：

正极：

电池总的反应：

该电池存在的问题是，反应的固体生成物氢氧化锂因无法溶于电解液而不断堆积，覆盖在阴极材料表面，阻碍与空气的接触导致反应停止，如何解决这一问题是当前锂—空气电池的研究热点之一。

1.2.5 钠—空气电池和铁—空气电池

钠—空气电池和铁—空气电池的研究起步较晚，目前的研究尚不多，大多集中于二次纳—空气电池方面。德国研究人员认为，钠能够产生与锂近似的能量密度，同时，钠—空气电池还可以进行充电。但这两种电池的研究还停留在实验阶段。

2 金属空气电池的优缺点

金属空气电池得到了市场越来越多的关注，这主要是因为金属空气电池相比锂离子电池具有较大的优势，但目前，由于金属空气电池尚处于研发阶段，其应用存在一些问题。本文对当前研发出的金属空气电池存在的优势和问题分别进行了分析和研究。

2.1 金属空气电池的优点

2.1.1 高能量密度

金属空气电池相对于传统的蓄电池具有更高的能量密度，近年来被广泛研究的几种金属空气电池的性能参数如表1所示。

表1 几种金属—空气电池的性能比较

由表1可以看出，虽然每种金属空气电池的能量密度均有所不同，但美国、日本等国家开展的金属空气电池的容量密度研究目标在2020年为300Wh/kg，由此，可以对比得出金属空气电池具有很高的比能量。例如，铝—空气电池的理论比能量可达2290Wh/kg左右，而当前所实现的比能量仅为350Wh/kg～400Wh/kg，是当前锂离子电池的2～3倍、镍氢电池的5～8倍、铅酸电池的7～8倍。

2.1.2 质量轻、清洁安全

金属空气电池能够在很大程度上地减轻装备重量，大幅提升装备的续航能力，也可作为电动汽车的主要驱动力，代替汽油等传统燃料，缓解资源利用危机，实现零排放无污染出行。金属空气电池的放电反应可以控制，在使用时仅需将电解液泵入电池即可，金属电极可进行更换，能够延长电池的使用时间，提高电池的寿命性能。金属空气电池对人体不会造成伤害，并可回收循环使用。

2.1.3 储量丰富，具有成本优势

金属空气电池所采用的几种金属均具有较为丰富的存储量，同时，已有较为成熟的冶炼技术，生产成本较低，此外，这几种金属属于低污染物，其回收成本也较低；金属空气电池的电解液往往为普通的碱性溶液，便于处理，且相对于当前的锂离子电池，具有较大的成本优势。

2.2 金属空气电池存在的问题

尽管金属空气电池具有众多优点，但当前其并没有实现实际应用及量产，这主要是因为金属空气电池还存在着一些问题及技术难点，具体包括以下3个方面。

2.2.1 金属材料自腐蚀问题

当前所研究的金属空气电池都存在金属电极的自腐蚀问题，由于电极暴露在空气与电解液中，有些金属空气电池会与空气或电解液发生反应而造成自身的腐蚀，如锌—空气电池在碱性条件下放电的过程中会伴随着析氢反应；铝—空气电池会因为铝在空气中产生一层薄膜而导致反应速率变慢，抑制铝电极失去电子的能力，致使电位升高，电池整体的电压下降，而如果氧化薄膜遭到破坏，会伴随着析氢反应而造成自腐蚀；镁—空气电池中的镁在空气中会被氧化而在镁电极表面产生氧化薄膜，使电极无法正常放电，导致反应速率降低，此外，镁在水溶液中也存在析氢的自腐蚀现象；锂—空气电池长时间暴露在潮湿的空气中会造成锂电极腐蚀，需要进行防水封装处理，而封装工艺仍在研究中。

2.2.2 依赖环境

金属空气电池当前所采用的电解液均为碱性，受使用环境的影响较大，且均具有一定的挥发性。如锌—空气电池以半开放状态使用，会受到环境温度的影响，温度过高或者过低都会造成电解液的挥发而导致电池结构损坏。同时，空气中的二氧化碳与电解液产生反应会生成碳酸盐，导致无法可逆充电，这就限制了金属空气电池的重复使用寿命，甚至某些电池仅为一次性电池。

2.2.3 空气电极堵塞

当前的金属空气电池的空气电极多是稀疏多孔的，以增大与空气的接触面积，但是，放电过程中的一系列反应会产生不溶性物质，随着反应的进行，这些不溶性物质会使空气电极的孔道堵塞导致电池失效。例如，锂空气电池在放电过程中生成的氢氧化物不溶于电解液，并最终覆盖空气电极及催化活性点，阻碍反应的持续进行，致使电池的能量及续航能力大幅降低；此外，由于反应后生成物的化学性质发生了变化，导致无法进行多次充放电。

2.2 金属空气电池的优缺点总结

金属空气电池作为一种新型能源电池，相比燃料电池具有很多优点，但同时，由于技术和环境的影响，也存在一些不足及技术难点，主要是在金属电极、空气电极和工作环境这3个方面，如表2所示。

表2 金属空气电池的优缺点

当前，金属空气电池的研究基本上都是围绕以上问题进行的，部分问题已提出了解决方案，但整体性能的稳定实现方法仍在进一步研究中。

3 金属空气电池的发展与应用

金属空气电池作为新型能源动力，世界各国均对其开展了广泛的研究。本文将对当前金属空气电池的研究现状和应用情况进行介绍。

3.1 金属空气电池的研究现状

当前，金属空气电池已成为新能源动力发展的主要方向。美国IBM公司自2009年起对锂—空气电池进行了研究并实施了专门的项目“Battery 500”。在新的试验中，研究人员通过计算机模拟来对化学反应进行跟踪和分析，提出了影响金属空气电池性能的主要因素——电解液，通过改良电解液，实现了200次充放电循环的锂—空气电池。此外，研究人员还对锂—空气电池的正极、负极及催化剂进行了研究，目前，该项目尚处于材料和反应研究的基础阶段。麻省理工学院的研究人员将转基因病毒应用到锂—空气电池中来提取氧化锰，从而捕捉金属分子用作金属电极。南加利福尼亚大学开发出了一种铁—空气电池，可用于阴雨天和风力发电的能源存储。研究人员通过在电池中加入微量硫化铋将电池的效率提高了约10倍。美国研究人员在使用铝—空气电池作为动力的新能源汽车研究中，实现了仅更换一次铝电极续驶里程达到1600km。在环境控制方面，研究人员采用微型逻辑控制系统，对电池的温度、热转换过程、电解液循环、生成物监控等进行智能控制，通过保证电池在适合条件下最优运行来延长其使用寿命。

德国的研究人员用钠代替锂作为金属电极进行研究，实现了反复充电，以及电压在2.2V的放电，整个过程的能源转换效率超过80%，理论比能量达1600W/kg左右，证明了钠空气电池在未来新型电池研究中的前景和价值。

日本研究人员对锂—空气电池中二氧化碳的消除进行了研究，利用一种双层金属薄膜材料在通电升温情况下除去空气中微量的二氧化碳，减轻当前金属空气电池所存在的易碳酸化及堵塞问题，提高电池的续航力和使用次数。

韩国研究人员研究了锂—空气电池中二氧化碳对电池应用的影响，并找出了能够使产生的碳酸物质发生可逆反应的电解质材料，这对于锂—空气电池的研究具有重要的意义。在镁—空气电池研究方面，韩国科学技术研究院发现，镁—空气电池的能量约为同等大小锂电池的5倍，且充电所需的时间更短。对于镁—空气电池反应慢的问题，该研究院通过多种物质混合来改变镁阳极及空气电极的成分，以此来达到提升反应速率的目的，但目前由于该技术成本太高，尚不能投入实际应用。

我国在金属空气电池的研究方面投入了一定的人力和物力，取得了一些成果。中国科学院宁波材料技术与工程研究所研制出了1000Wh的镁—空气电池样机，最大输出功率可达80W；一些公司生产的镁—空气电池能够驱动LED灯90多个小时，但由于效率问题，仅能作为一种简单的应急电源来使用。目前，由锌—空气电池驱动的电动汽车已经试验成功，但由于技术不成熟导致电池的制造成本过高，尚不能投入市场使用；锂—空气电池正在逐步代替锂离子电池，但实现实际商用尚需时日。南开大学的研究人员成功将锰基莫来石材料作为催化剂应用到镁空气电池中，使得电池所用催化剂的成本大幅降低，在电池工作过程中，效果稳定、良好。基于该项发现，研究人员试制出一个纽扣电池，其输出电压能够驱动一个LED灯，验证了该项研究成果的应用前景。

当前，金属空气电池存在的一些问题，如金属阳极、空气阴极、电解液及催化剂等方面的问题已部分实现了突破，不但提高了金属空气电池的性能，同时也为金属空气电池的实际应用提供了支撑。

3.2 金属空气电池的应用方向

金属空气电池因具有比能量高、使用寿命长、原材料广泛、无毒易处理等优点而备受瞩目，虽然当前尚处于研发和实验阶段，但其应用前景十分广阔，有望代替传统的不可再生能源，如煤炭和石油等。

金属空气电池在民用领域主要有以下应用：

（1）为电子产品供能。将金属空气电池应用于电子产品中，可大幅提升其待机性能。电池续航问题一直困扰着电子产品的发展，已有的锂离子电池不仅续航能力差，还存在爆炸风险，金属空气电池能够较好地弥补上述缺点，提高电子产品的待机性能，一些公司开发的铝—空气手机电池已实现待机30天，笔记本电脑能够连续工作1天左右。

（2）为新能源汽车供能。当前，各国提倡节能减排，大力发展新能源汽车，而电力驱动是重要的新能源驱动方式之一。世界上多家汽车厂商都在大力投资电动汽车的研发项目，电动汽车已经进入实用阶段，但由于续航及充电问题尚未完全解决而影响了其普及，金属空气电池可用作汽车、自行车、公交甚至大型矿山机械的能源动力，不仅能够降低能源获取成本，还能够进一步减轻车辆的重量，提高车辆的续航性能，为其提供强劲的动力。

（3）用作临时移动充电站。由于金属空气电池添加电解液即可使用的这种“随用随制”的优点，可以长时间作为充电站使用，可用于应对突发自然灾害时的电力能源供应。

（4）为社区及工厂工业供电。随着技术的发展，金属空气电池或将能够提供与市政电网相当的电力，一方面可以用于为人们的日常生活供电；另一方面，也可用于偏远地区、森林、海岛等的电力供应。同时，金属空气电池还可为工厂车间的设备进行持续供电。

在军用方面，金属空气电池的应用领域也十分广泛。

（1）可为武器装备系统供能。金属空气电池携带方便，能够驱动日常使用的电子产品，为武器装备提供有力的能源供应支撑，在紧急军事行动及野外作战时能够提供充足的电量且能够反复使用。

（2）为舰船及水下潜艇供能。美国海军已经探索研究了将金属空气电池用于水面舰船和水下潜艇的可能，并认为，金属空气电池与燃料电池相比更优。因为对于长时间海上航行的舰船和潜艇来说，柴油和铅酸蓄电池组的存储量有限，而金属空气电池中的电解液可以用海水来代替，水下舰艇仅需携带氧气和所需的金属材料，相比燃料电池重量有所减轻，同时能量密度更优。目前，德国某些舰船已采用铝氧燃料电池组作为动力系统，能量转换率达60%左右，潜艇的续航能力提升了1倍。

（3）为地面作战系统供能。在地面作战方面，各种军用车辆、坦克、运输设备等采用柴油动力系统，作战时红外特征明显，易被发现，并且所携带的燃油量有限，采用金属空气电池后能够降低红外特性，同时延长机动距离，也可为车载雷达系统提供更持久的电力。

（4）为航空航天飞行器供能。在航空航天领域，多个国家已开展了电力推进系统研究；重复使用航天飞行器也可采用金属空气电池提供动力，仅需将空气替换为预装氧气的方式即可完成动力更换；一次性金属空气电池可为导弹的发射供能，从而减轻重量，提高飞行速度，增大射程。

4 结束语

金属空气电池是新能源发展的重要研究方向之一，金属空气电池具有比能量高、安全环保、造价低、资源丰富、体积小及质量轻等优点，得到了世界各国的广泛关注，研究速度不断加快。我国也应该抓住机遇，加大对金属空气电池的研究力度，在未来的新能源技术竞争中夺取先机，并将其应用于国民经济发展和国防建设中，实现突破和发展。