锌空气电池（Zinc-Air Battery）是一种以金属锌为负极、空气中的氧气为正极活性物质的高能量密度电池，兼具低成本、安全性高和环境友好等优势，广泛应用于小型电子设备、储能及特殊场景。

一、技术原理与核心反应

1. 工作原理

• 通过外部电源将ZnO还原为Zn，氧气从电极释放。

• 负极反应：锌在碱性电解液（如KOH）中氧化，释放电子：

  $$\text{Zn}+4{\text{OH}}^{-}\to {\text{Zn(OH)}}_4^{2-}+2e^{-}({\text{进一步分解为ZnO + H}}_2\text{O})$$

• 正极反应：氧气在空气电极催化下还原，与水和电子结合：

  $${\text{O}}_2+2{\text{H}}_2\text{O}+4e^{-}\to 4{\text{OH}}^{-}$$

• 总反应：

  $$2\text{Zn}+{\text{O}}_2\to 2\text{ZnO}(\text{理论电压1.65 V，实际约1.2-1.4 V})$$

• 放电过程：

• 充电过程（可充电型）：

2. 系统组成

• 锌负极：高纯度锌粉或锌箔，常压成型或涂覆于集流体。

• 空气电极：多孔碳基材料（如活性炭）+ 催化剂（如MnO₂、Co₃O₄）。

• 电解液：碱性溶液（30% KOH）或中性溶液（NaCl），部分采用固态电解质。

• 
  

二、技术优势与局限性

优势

1. 高能量密度：理论能量密度 1086 Wh/kg（一次电池），是锂离子电池的3-5倍。

2. 低成本：锌储量丰富（地壳含量0.0076%），价格低廉（≈$2/kg）。

3. 安全性高：无易燃有机电解液，热稳定性好，适合医疗等敏感场景。

4. 环保性：反应产物氧化锌可回收再生，无重金属污染。

局限性

1. 不可逆性：传统锌空气电池多为一次电池，循环寿命短（可充电型实验室阶段仅百次）。

2. 功率密度低：氧还原反应（ORR）动力学缓慢，高倍率放电能力弱。

3. 自放电与腐蚀：锌在电解液中易析氢腐蚀，长期储存容量损失（年损失约5-10%）。

4. 
   

三、关键材料与技术创新

1. 空气电极优化

• 分级多孔碳纤维提升氧气扩散速率；

• 防水透气层（如PTFE）防止电解液泄漏。

• 贵金属：Pt、Ir（高效但成本高）；

• 非贵金属：过渡金属氧化物（如Co₃O₄纳米线）、碳基材料（如氮掺杂石墨烯）。

• 催化剂：

• 结构设计：

2. 锌负极保护

• 合金化：锌与铟（In）、铋（Bi）合金抑制枝晶生长和腐蚀；

• 3D结构：泡沫锌或多孔锌电极增加反应面积，提升利用率。

3. 电解液改进

• 固态电解质：聚合物凝胶（如PVA-KOH）减少漏液风险，支持柔性电池设计；

• 添加剂：纳米SiO₂或有机缓蚀剂（如CTAB）延缓锌腐蚀。

• 
  

四、应用场景与典型案例

1. 小型电子设备

• 助听器：90%以上助听器采用锌空气电池（如Energizer EZ675），续航达2-3周。

• 铁路信号灯：德国铁路系统广泛使用锌空气电池作为备用电源。

2. 储能与离网供电

• 通信基站：中国铁塔公司试点锌空气电池替代铅酸电池，寿命延长至10年。

• 微电网储能：非洲农村地区部署锌空气电池系统，支持离网照明与通信。

3. 电动汽车增程

• 增程式电动车：以色列Phinergy与印度塔塔合作，锌空气电池为电动车增加续航300公里。

• 
  

五、技术挑战与解决方案

六、锌空气电池与其他电池对比

七、未来趋势与商业化进展

1. 可充电技术突破

• 双功能催化剂：开发高效ORR/OER催化剂（如NiFe-LDH），推动循环寿命突破1000次（实验室目标）。

• 固态锌空气电池：结合固态电解质（如Li7La3Zr2O12），实现高安全性与长寿命。

2. 新兴应用拓展

• 柔性电子：可弯曲锌空气电池为智能穿戴设备供电（如韩国KAIST研发超薄电池）。

• 水下设备：利用海水电解液设计自呼吸电池，支持深海探测器长期作业。

3. 政策与产业链

• 欧盟“Battery 2030+”计划将锌空气电池列为低成本储能重点；

• 中国《十四五新型储能发展实施方案》支持锌基电池产业化，目标成本降至$50/kWh。

锌空气电池凭借其高能量密度、低成本和环境友好特性，在小型电子、储能及特殊领域占据独特优势。尽管面临循环寿命与功率密度挑战，但通过材料创新（如双功能催化剂）与系统设计优化（如固态电解质），其可逆性与实用性正快速提升。未来，随着可充电技术成熟与规模化生产推进，锌空气电池有望成为锂离子电池的重要补充，推动清洁能源存储迈向更安全、可持续的新阶段。