获工信部点名，“金属空气电池”概念起飞

工业和信息化部装备工业发展中心党委书记、副主任柳新岩今日在2025新能源电池产业发展大会上提出系统布局新型材料体系、全固态电池、金属空气电池等新一代电池研发工作，加速新技术的落地转化和产业化进程。

金属空气电池（metal-air cell）是以金属（如锌、铝、铁、锂等）为负极，空气中氧气为正极活性物质的电化学储能装置，通过金属氧化和氧气还原反应释放电能。金属空气电池是一种具有极高理论能量密度的电化学电源，被广泛认为是下一代储能技术的有力竞争者，尤其在电动汽车和长时储能领域具有巨大潜力。

一、什么是金属空气电池？

金属空气电池的基本结构由一个金属负极（如锂、锌、铝、镁等）、一个空气正极和电解质组成。

工作原理：

放电时：金属负极失去电子被氧化，电子通过外电路流向空气正极，空气中的氧气在正极得电子被还原。整个过程类似于铁的“生锈”，是一个可控的电化学过程。

以锌空气电池为例：

充电时：对于可充电的金属空气电池，需要外部输入电能，将放电产物（如金属氧化物）重新还原为金属和氧气。

其核心优势在于，它将正极活性物质（氧气）从外部环境中“取之不尽，用之不竭”地获取，而不是像锂离子电池那样将所有反应物都封装在电池内部。这使其理论能量密度非常高。

二、主要类型及特点

根据所使用的金属负极，主要分为以下几种：

1. 锌空气电池

现状：技术相对最成熟，已有一次电池（不可充电）商业化应用，如助听器电池。

优点：

安全性高：水性电解质，不易燃易爆。

成本低：锌资源丰富，价格低廉。

能量密度高：理论值远高于铅酸电池，接近锂离子电池。

挑战：

循环寿命短：锌负极的枝晶和形变问题，空气正极的催化剂效率问题。

功率密度较低：放电速率较慢，不适合高倍率放电场景。

应用：主要集中于一次电池领域；二次电池（可充电）在储能电站、备用电源和低速电动车领域有应用前景。

2. 锂空气电池

现状：仍处于实验室研究阶段，是终极追求目标之一。

优点：

理论能量密度极高：可达~3500 Wh/kg，与汽油相当，是现有锂离子电池的5-10倍，被誉为“终极电池”。

挑战：

技术难题极多：

正极堵塞：放电产物过氧化锂不溶于有机电解质，会堵塞多孔空气正极。

电解质不稳定：有机电解质容易被超氧根离子分解。

锂负极问题：与锂离子电池类似，存在枝晶生长和安全风险。

空气过滤：需要复杂的系统来过滤空气中的二氧化碳和水蒸气，防止副反应。

应用：远期目标为电动汽车、长航时无人机等。

3. 铝空气电池

现状：主要为一次电池，已有商业化应用。

优点：

能量密度高：理论值可达~8100 Wh/kg。

材料丰富：铝是地壳中含量最丰富的金属元素。

安全性好：通常使用水性电解质。

挑战：

自腐蚀严重：铝在水性电解质中会与水发生副反应，产生氢气，导致库伦效率低和容量损失。

难以充电：铝负极的电化学可逆性差，目前主要作为“机械式充电”（更换铝板）的一次电池使用。

废热管理：反应会产生热量。

应用：军用装备、水下航行器的备用电源、电动汽车增程器（作为续航延伸的“油箱”）。

4.镁空气电池

现状：处于研发和早期应用阶段。

优点：

比铝更安全：镁的腐蚀副反应比铝弱。

能量密度较高。

环保：镁及其反应产物毒性低。

挑战：

负极钝化：镁表面易形成氧化膜，阻碍反应，导致电压滞后和性能下降。

可逆充电困难。

应用：与铝空气电池类似，主要用于一次电池场景，如应急电源。

三、核心优势与挑战

核心优势：

1. 极高的能量密度：这是其最吸引人的特点，因为正极活性物质（氧气）来自外部空气，无需内置。

2. 环境友好：大多数金属（如锌、铝、铁）资源丰富、低毒或无毒。

3. 安全性较高：许多体系使用水性电解质，从根本上避免了有机电解液的燃烧风险。

4. 成本潜力低：原材料来源广泛，理论上可以做得比锂离子电池更便宜。

主要挑战与关键技术瓶颈：

1. 空气正极动力学缓慢：

氧还原反应和氧析出反应本身很慢，需要高效、廉价的催化剂。目前依赖昂贵的铂、钌等贵金属，开发非贵金属催化剂是关键。

2. 金属负极问题：

枝晶生长：可充电过程中，金属不均匀沉积形成枝晶，可能刺穿隔膜导致短路。

腐蚀与副反应：金属在水性电解质或含杂质空气中会发生自放电，降低效率和寿命。

钝化：某些金属表面会形成氧化膜，影响反应活性。

3. 电解质稳定性：

对于非水性体系（如锂-空），电解质容易被强氧化性的中间产物分解。

对于水性体系，需要控制水的蒸发和补充，以及抑制金属腐蚀。

4. 系统复杂性：

需要一套精密的空气过滤系统，以排除二氧化碳和水蒸气，防止副反应产生碳酸盐等不希望的产物，这会大大增加系统的体积、重量和复杂性。

四、应用前景

电动汽车：作为增程式电动车的“里程扩展器”，通过更换金属负极来快速“补能”，或作为未来可充电的动力电池。

大规模储能：锌空气电池因其低成本和高安全性，在电网级储能领域有巨大潜力，用于平滑可再生能源发电。

便携式电子设备：锌空气一次电池已在助听器等小功率设备中应用，未来可充电版本有望用于手机、笔记本电脑。

特殊领域：在军事、海洋勘探、应急救灾等无法及时充电的场景，铝/镁空气一次电池可作为长效电源。

随着催化剂、电解质和金属负极保护技术的不断进步，金属空气电池有望在未来十年的能源结构中扮演越来越重要的角色。

五、产业链及企业布局

鹏辉能源(300438.SZ)：中国品种齐全的电池制造商，专注于电池研发制造20多年，电池品种有镍电池、锂电池、钠电池、金属空气电池，目前是全球电池品种最全的制造企业，下游应用领域涵盖消费、动力、储能三大应用领域。

雄韬股份(002733.SZ)：公司注重新型产品的技术储备和新产品的商业化，加大了对铝空气电池、锌空气电池等的研发投入。

科力远(600478.SH)：在新型镍氢气电池、超级电容电池、金属空气电池、制氢电极等新的应用场景取得突破，实现了面向高确定性客户的样品打造或批量供应。