作為在新一代電子產品、電力交通和電能儲存中應用前景廣闊的能源設備，金屬空氣電池最突出的優點即其可以將高能量密度的金屬負極與具備開放結構的活性空氣正極材料相結合。

制作金屬空氣電池，可選用的原材料比較豐富。目前已經取得研究進展的金屬空氣電池主要有鋁空氣電池、鎂空氣電池、鋅空氣電池、鋰空氣電池等。這幾種類型的金屬空氣電池有的已經具備大規模量產的條件，有的還停留在實驗室階段，有的已經在電動汽車方面取得良好的應用成果，并即將大規模裝載新能源車輛。

從鋰離子電池說起——金屬空氣電池原理

我們以鋰空氣電池為例來看鋰離子電池和鋰空氣電池有何區別。

在鋰離子電池中，負極為碳，正極為不同過渡金屬氧化物，如鈷、錳、鐵等。二者均浸潤于溶解有鋰鹽的電解液中。充電時，鋰離子從正極(陰極)移動到負極(陽極)多孔碳上，嵌入碳材料中，外部電流從負極流到正極(電子從正極移動到負極)，形成閉合回路;放電時，鋰離子從負極脫嵌，回歸正極，外部電流從正極流向負極(電子從負極移動到正極)。最終電池的容量大小取決于有多少材料能夠容納鋰離子，即由電極的體積與質量決定。

鋰離子電池原理

當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。此時正極發生的化學反應為：

同樣道理，當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。此時負極發生的化學反應為：

不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負極 → 正極的運動狀態。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。

但離子電池變成空氣電池后，有些原理和性能就會發生變化：在金屬空氣電池中，發生的是電氣化學反應。還是以鋰空氣電池舉例，在放電過程中，含鋰正極釋放的鋰離子向負極移動，并在其表面發生氧化反應，生成過氧化鋰(Li2O2)。鋰離子、電子和氧氣是在負極多孔碳材料的表面發生反應，負極材料本身并不參與反應，只提供反應的場所。因此，電池容量與負極材料的體積和質量并無太大關聯，只取決于它提供反應的場所大小，即其表面積大小。因此，金屬空氣電池很容易獲得較高的比能量密度。

鋰空氣電池原理(注意與鋰離子電池原理對比)

簡單來說，金屬空氣電池就是以活潑金屬為負極，空氣(里的氧氣)為正極的化學電池，發生的基本化學反應與普通化學電池相同。這種電池的主要特點和優勢來源就在于以氧氣為正極，而氧氣，就是通過多孔材料中的氧化劑(催化劑)從空氣中直接獲取的，因此，氧氣電極上的催化劑的作用也就極其關鍵了。

我們將抽象的鋰空氣電池原理圖形象化，得到下圖：

形象化的鋰空氣電池原理圖

其它幾種常見金屬空氣電池

1、鋁空氣電池

鋁空氣電池原理圖

鋁空氣電池以鋁為負極，空氣為正極，氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為電解質。

負極：(Al)：4Al-12e-=4Al3+

正極：(Pt或Fe等)：3O2+6H2O十12e-=12OH-

總反應式：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3↓

以上為電解質為鹽性條件的反應，當電解質變為堿性條件時，電池反應變為：

4Al+3O2+6H2O+4OH-=4Al(OH)4-

2、鎂空氣電池

鎂空氣電池原理圖

水體系：

陽極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應：2Mg+H2O+O2=2Mg(OH)2

非水體系：

陽極：Mg-2e-=Mg2+

陰極：O2+2e-=O22-或O2+4e-=2O2-

總反應： Mg+O2=MgO2或2Mg+O2=2MgO2

3、鋅空氣電池

鋅空氣電池又稱鋅氧電池，以鋅為負極，活性炭吸附空氣中的氧或純氧為正極活性物質，氯化銨或苛性堿溶液為電解質。

陽極：Zn+2OH–→ ZnO+H2O +2e-

陰極：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應：2Zn+O2→ 2ZnO

不同種類金屬空氣電池的比能量柱狀圖

這些金屬空氣電池都有開放電池結構的特點，為陰極活性物質，即氧氣，提供反應場所。而這種陰極活性物質可以直接從空氣中源源不斷地獲取，節約成本，提高比能量密度。事實上，金屬空氣電池家族的成員都有著較高的比能量密度(如上圖)。這種高電能容量也取決于陰極活性物質氧氣不用儲存在電池內部，陽極金屬也能提供較多的價原子。尤其是鋰空氣電池，比能量密度高達11700Wh/kg，幾乎可以跟液體汽油相媲美。