郝跃辉，成怀刚，钱阿妞

（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，山西太原030006）

随着能源、医疗和环境等领域对高效且智能的电子产品的需求日益迫切，为这些设备提供能量的储能器件成为近年来的研究热点。目前，市场上应用最多的是锂离子电池，但有限的能量密度、高昂的价格和安全性等因素限制了其满足先进电子设备供能需求的能力，为此，迫切需要开发具有高能量密度和稳定安全性的灵活储能设备。金属-空气电池是一种以金属电极和空气电极为驱动的电化学电池，具有能量密度高、成本低和安全便携等优势。目前，研究较多的锌-空气电池（能量密度为1 086 W·h/kg）和锂-空气电池（能量密度为3 458 W·h/kg），其能量密度远高于锂离子电池的460 W·h/kg。因此，金属-空气电池有望成为替代金属-离子电池的电化学储能设备。

金属-空气电池的结构主要由金属电极、空气电极、电解质3部分组成，其中金属电极由Zn、Mg、Al、Li、Na等金属构成，空气电极由防水透气层、气体扩散层、催化剂层和导电层4部分构成，电解液有水性（以中性、碱性居多）和非水性。其基本结构和工作原理见图1，放电过程中发生的电化学反应［1］：

图1 水系和非水系金属-空气电池结构示意图及工作原理［1］Fig.1 Schematic diagram and working principle of waterbased and non-aqueous metal-O2 batteries［1］

由此可见，涉及氧吸附和O—O键断裂的空气电极电化学反应对金属-空气电池的性能有重要影响，其中催化剂层是空气电极的关键组成部分。然而，多相界面处ORR（Oxygen Reduction Reaction，氧还原反应）与OER（Oxygen Evolution Reaction，氧析出反应）缓慢的动力学和热力学，是导致电极极化和较高过电位的主要原因［2］。……