新能源材料-金属空气电池
锌-空气燃料电池
锌-空气燃料电池锌-空气燃料电池可以应用于各种领域，例如移动电话、笔记本电脑、电动汽车等。
它不仅具有高能量密度和长续航里程，而且燃料电池使用的是锌颗粒和空气中的氧气，相比传统电池更环保。
然而，锌-空气燃料电池也存在一些挑战和问题，例如金属锌的储存和输送、空气中的湿度对电池性能的影响等。
因此，科学家们正在不断研究和改进锌-空气燃料电池的技术，以便更好地满足未来能源需求。
本文将对锌-空气燃料电池的原理、优势、挑战和发展前景进行深入探讨，以期为读者提供更多有关这一领域的知识和信息。
一、锌-空气燃料电池原理锌-空气燃料电池的工作原理是利用金属锌和空气中的氧气进行化学反应。
当两者在电池中发生化学反应时，会产生电子和离子，从而产生电能。
具体来说，锌-空气燃料电池包括阳极、阴极和电解质三部分。
阳极：阳极是由锌金属组成的，当阳极和电解质接触时，会产生离子和电子，离子会通过电解质向阴极迁移，而电子则通过外部电路向阴极流动，产生电能。
阴极：阴极是由氧气组成的，当阴极和电解质接触时，会吸收到从阳极传来的离子和电子，进而与之结合产生水。
电解质：电解质是连接阳极和阴极的介质，它具有一定的离子传输功能，可以使阳极和阴极之间的化学反应得以进行。
电解质通常是一种固体材料，它不会与金属锌和氧气进行反应，因此可以长时间地维持电池的工作。
总的来说，锌-空气燃料电池的工作原理就是利用金属锌和空气中的氧气进行化学反应，并将产生的电能输出到外部电路中。
这种化学反应的过程非常清洁、高效，不会产生有害的环境污染物质，因此备受人们关注。
二、锌-空气燃料电池的优势锌-空气燃料电池具有许多优势，使其成为一种具有巨大发展潜力的新能源技术。
1. 高能量密度锌-空气燃料电池具有很高的能量密度，可以达到传统电池的2-3倍。
这意味着它可以存储更多的能量，从而在相同体积和重量下提供更长的续航时间，这对于移动设备和电动汽车等需要长时间使用的场合非常重要。
2. 环保锌-空气燃料电池使用的燃料是金属锌和空气中的氧气，在反应过程中产生的产物只有电池内部的锌氢氧化物，不会产生二氧化碳等有害的环境污染物质。
金属空气电池
的最佳选择。
（2）铝空气电池的正极活性物质来源于空气中的氧气，其正极是一种透气、不透液、
能导电、有催化活性的薄膜，它在整个电池中所占的比例很小，余下的空间可以用来充
填阳极材料。因此在现有的小型电池系统中具有最高的比能量。铝空气电池由于空气电
极很薄，使得电池很轻巧，适用于便携式设备。
（3）铝空气电池可携带燃料长距离行驶，节约能源，元件可快速更换，是电动自行
1 正极（空气电极）
一个空气电极一般由三层组成：催化层、防水透气层及用 来增加电极机械强度的金属集流导电网。空气中的氧在电极 参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散， 在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行电化学还原。 因此，催化层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极性 能的好坏。而空气电极反应是在气、液、固三相界面上进行 的，电极内部能否形成尽可能多的有效三相界面，将影响催 化剂的利用率和电极的传质过程。在放电过程中，氧气在三 相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子。
项目一
项目二
项目三
项目四
项目五
项目六
任务一 任务二 任务三 任务四 任务五 任务六 任务七
任务6 金属空气电池
任务引入
金属空气电池是用金属燃料代替氢能源形成的一种新概念 电池，有望成为新一代绿色能源。它发挥了燃料电池的众多 优点，将锌、铝等金属像氢气一样提供到电池中的反应位置 ，与氧气一起构成一个连续的电能产生装置，金属空气电池 既有丰富的廉价资源，又能再生利用，而且比氢燃料电池结 构简单，是很有发展和应用前景的新能源。下面我们一起进 入金属空气电池的学习吧。
越性:
实际可达到450W·h/kg，比能量密度小于铅酸蓄电池，比功率为50～200W/kg，
金属空气电池
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金属空气电池的结构及工作原理 • 金属空气电池主要由正极、负极、电解液三大部分组成. 下图为金属空气电池的构成
金属空气电池的工作原理
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（1）正极（空气电极） 一个空气电极一般由三层组成：催化层，防水透气层以及用来增加电极机械强度的金属集流导电网。空气中的 氧在电极参加反应时，首先通过扩散溶入溶液，然后在液相中扩散，在电极表面进行化学吸附，最后在催化层进行 电化学还原。因此催化层的性能和催化剂的选择直接关系到空气电极的性能的好坏。而空气电极反应是在气、液、 固三相界面上进行的，电极内部能否形成尽可能多的有效三相界面将影响催化剂的利用率和电极的传质过程。在放 电过程中， 氧气在三相界面上被电化学催化还原为氢氧根离子，发生反应： O2 + 2H2O + 4e- → 4OH（1） （2）负极（金属电极） 金属空气电池的理论能量密度只取决于负极。即燃料电极，这是电池中传递的惟一活性物质。金属阳极通常都要根 据具体的金属性质进行金属成分或形态的加工处理，以满足电池要求。目前负极主要研究的有铝或锌等金属合金。 以锌为例，放电时，锌在碱性溶液中发生反应 2Zn+ 4OH- → 2Zn(OH)2 + 4e- （2） 在电池中发生的总反应为: O2 + 2Zn + 2H2O → 2Zn(OH)2 （3） （3）电解液 空气电极在反应过程中产生氢氧根离子，它的电势一般由溶液中的氢氧根离子的浓度决定。倘若OH-离子局部 地增加，那么由于电势变化过速引起严重的极化。缓冲溶液能减低pH变化，也即减低氢氧根离子浓度的变化，这样 可减小极化而提供更大的电流。酸和碱都是比较好的缓冲溶液，因此最令人满意的空气电极均采用高浓度的碱性或 酸性电解液。碱性和酸性电解液均有缺点，碱性电解液会被空气中的二氧化碳污染，酸性电解液会与低廉的催化剂 作用使之腐蚀，同时也腐蚀用于空气电极的集流体。实用上一般还能容许碱性电解液的缺点。有些金属一空气体系 采用近乎中性的含水电解液，如氯化钠或碳酸钾，但它们只限于低电流密度使用。
金属空气电池基础知识科普
金属空气电池基础知识科普作为在新一代电子产品、电力交通和电能储存中应用前景广阔的能源设备，金属空气电池最突出的优点即其可以将高能量密度的金属负极与具备开放结构的活性空气正极材料相结合。
制作金属空气电池，可选用的原材料比较丰富。
目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、镁空气电池、锌空气电池、锂空气电池等。
这几种类型的金属空气电池有的已经具备大规模量产的条件，有的还停留在实验室阶段，有的已经在电动汽车方面取得良好的应用成果，并即将大规模装载新能源车辆。
从锂离子电池说起——金属空气电池原理我们以锂空气电池为例来看锂离子电池和锂空气电池有何区别。
在锂离子电池中，负极为碳，正极为不同过渡金属氧化物，如钴、锰、铁等。
二者均浸润于溶解有锂盐的电解液中。
充电时，锂离子从正极(阴极)移动到负极(阳极)多孔碳上，嵌入碳材料中，外部电流从负极流到正极(电子从正极移动到负极)，形成闭合回路;放电时，锂离子从负极脱嵌，回归正极，外部电流从正极流向负极(电子从负极移动到正极)。
最终电池的容量大小取决于有多少材料能够容纳锂离子，即由电极的体积与质量决定。
锂离子电池原理当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
此时正极发生的化学反应为：同样道理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。
回到正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
此时负极发生的化学反应为：不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→ 负极→ 正极的运动状态。
如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。
所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。
铝空气电池堆
铝空气电池堆
铝空气电池是一种以铝为负极、氧为正极的化学电源，其化学反应与锌空气电池类似。
铝空气电池以高纯度铝Al（含铝%）为负极、氧为正极，以氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。
铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。
这种电池具有比能量大、质量轻、无毒危险、铝的原材料丰富且回收再生方便等优点。
此外，由于其采用的是低成本的氧化锰催化剂，并且不需要质子交换膜，因此铝空气电池电堆成本可降低40%左右，同时铝空气电池系统成本约为氢燃料电池系统的82%左右。
但是，铝空气电池也存在一些缺点，如比功率较低、充电和放电速度比较缓慢、电压滞后、自放电率较大等。
此外，由于其工作时会过热，因此需要采用热管理系统来防止过热。
以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅相关论文或咨询化学电源领域的专家。
金属空气电池的发展及应用
The Development and Application of Metal - Air Battery Xu Yanfang Zheng Kewen
( The 712 Research Institute , CSIC , Wuhan , 430064)
444
780
40～60 70～80 150～250 130～176
由表 1 可见 ,铝空气电池实际达到的比能比锂离
子电池还要高 ,且约为铅酸蓄电池的 8～10 倍 ,镍氢
电池的 4 倍 。同时 ,金属空气电池不需充电设备 ,它
能在几分钟内更换金属板或金属粒 ,快速完成“充电”
过程 。此外 ,铝空气电池不仅原料和制造过程对环境
Abstract : The paper depicts the working principle , structure and feature of the metal - air battery. It al2 so discusses the prospect of technological development of metal - air battery and its application. Being a new green power source with a high performance , the Metal - air Battery has the character of high specific energy , long cycle life and zero emission. It also need no charging equipment and can replenish the electric energy quick2 ly. Therefore ,metal - air battery can be used as the power source of middle and small mobile appliances , small portable electronic devices and under - water military vehicles.
铝空气电池原理
铝空气电池原理
铝空气电池是一种新型的电池技术，使用铝和空气作为主要材料。
它的原理主要涉及两个过程：铝氧化和氧还原反应。
首先，铝极在电解液中发生氧化反应，将铝离子释放出来，并释放出电子。
这个过程可以表示为：
Al → Al3+ + 3e-
同时，空气（通常指的是氧气）在电极表面发生还原反应，接受铝电子，生成氧化物。
这个过程可以表示为：
O2 + 4e- + 2H2O → 4OH-
两个反应共同构成了铝空气电池中的电化学反应。
铝离子和氧化物离子通过离子导体（通常是电解液）进行离子传输，而电子则通过电路进行电子传输。
在电化学反应中，铝极逐渐被氧化，而空气电极逐渐被还原。
这导致铝空气电池产生了电势差，可以驱动电子在电路中流动，从而产生电能。
铝空气电池的优点是具有高能量密度、不可充电等特点，适用于一次性使用的电源。
然而，它也存在一些挑战，比如电极的反应速率和电解液的稳定性等问题，这些问题仍在研究中得到解决。
空气电池 氯化铝 铝-概述说明以及解释
空气电池氯化铝铝-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：空气电池是一种利用空气中的氧气作为氧化剂和铝作为还原剂的电池。
它是一种绿色、环保的电池技术，具有高能量密度、可持续使用和安全性高等优点。
氯化铝是一种无机化合物，化学式为AlCl3。
它具有很强的腐蚀性，在常温下为白色结晶固体。
氯化铝在化工工业、制药工业等领域有广泛的应用，如催化剂、脱水剂和电解质等方面。
铝是一种常见的金属元素，化学符号为Al，原子序数为13。
它具有轻质、良好的导电性和导热性等特点，在航空航天、汽车制造、建筑和包装等领域有广泛的应用。
本文将重点介绍空气电池、氯化铝和铝的原理、性质和应用领域，探讨它们之间的关系，以及对环境和能源的影响。
最后，展望空气电池技术、氯化铝和铝的未来发展前景。
通过本文的阐述，读者将更好地了解空气电池、氯化铝和铝这些重要的科技和材料，并认识到它们对于推动可持续发展和节能减排的重要作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下:文章结构部分旨在给读者呈现本文的整体框架和组织方式。
本文分为引言、正文和结论三个主要部分。
在引言部分中，我们将概述本文的主题，介绍空气电池、氯化铝和铝的基本概念，并明确本文的目的。
在正文部分，我们将详细探讨空气电池、氯化铝和铝的各个方面，包括它们的原理、优点、物理性质、化学性质和应用领域。
最后，结论部分将总结和归纳空气电池、氯化铝和铝之间的关系，分析它们对环境和能源的影响，并展望未来的发展前景。
通过这样的文章结构，我们希望读者能够全面了解空气电池、氯化铝和铝的相关知识，并对其在环境和能源领域的潜力有更深入的了解。
1.3 目的本文旨在探讨空气电池、氯化铝和铝的相关性，并分析它们对环境和能源的影响。
同时，本文还将研究它们的物理性质和化学性质，以及它们在不同领域中的应用。
通过对这些内容的研究，本文旨在为读者提供关于空气电池、氯化铝和铝的全面了解，并展望它们在未来的发展前景。
通过深入研究这些问题，我们将能够更好地理解这些材料的特性和用途，并为环境保护和可持续能源发展提供更多的解决方案。
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7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（1）充电特性 锌空气电池的充电模式，打破了普通蓄电池的常规充电 模式，采用机械式更换电池的锌板或锌粒的"充电"模式，整 体更换锌空气电池的活性物质，将整个锌空气电池进行更换 ，电池不再需要花很长的时间来充电，更换一块20kWh的电 池块只需要1分40秒。只要在公路沿线设置锌板或锌粒匣以及 电解质器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽 车的加油站，直接"充电"，可以为用户提供很大的方便。
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7.2 空气电极
7.2.3 空气电极催化剂
金属空气电池的发展主要来自于氧电极催化剂的不断 更新，为降低正极反应过程中的电化学极化，人们对氧化 还原反应的电催化剂进行了广泛的研究。最早用于氧化还 原电催化剂的是炭，但是其催化活性相当低。目前研究的 氧电极催化剂主要有：铂及其合金、银、金属螯合物、金 属氧化物（如锰氧化物、钙钛矿型氧化物等）等几个系列。
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7.3 锌空气电池
7.3.1 工作原理
锌空气电池的阴极活性物质来源于空气中的 氧气，负极采用廉价的锌。在碱性电解液中， 反应如下： 阴极： ½ O2+H2O+2e-→2OH阳极：Zn→Zn2++2eZn2++2OH-→Zn(OH)2 Zn(OH)2→ZnO+H2O 总反应：Zn+ ½ O2→ZnO 电动势：
0 E EO
2
/ OH
0 E ZnO / Zn
RT 1/ 2 ln PO 2 nF
常温常压下，空气中氧分压约为大气压的 20%，锌空气电池的电动势为1.636V，实测 开路电压在1.40～1.45V，工作电压0.9～1.3V。
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在金属/空气电池中，锌最受人们关注。这是因为在水 溶液和碱性电解质中比较稳定且在添加适当的抑制剂后不 发生显著腐蚀的金属中，以锌的电位最高。
锌/空气电池是以金属锌作负极活性物质，以空气中的 氧或纯氧作正极活性物质，电解质为碱性或中性的一种电 池。它具有自放电率很低、能量密度高、电池的容量不受 放电强度和温度的影响、安全性高、原料成本低廉、环保 等优势。 锌在商品化的锌/空气原电池中已经应用多年。最初，这 些产品是使用碱作为电解质的大型电池，应用于铁路信号灯、 远距离通信和需要长时问、低倍率放电的海上导航装置。随 着薄层电极技术的开发，应用于助听器、寻呼机和类似用途 的小型(扣式)、高容量原电池都采用了此项技术。
反应式中，M是金属，n是金属氧化过程中的价态变化值， 大多数金属在电解质溶液中是不稳定的，会发生腐蚀或 氧化生成H2。
n M nH 2O M (OH )n H 2 2
这种伴生腐蚀反应或者自放电降低了负极的库仑效率， 所以必须得到控制，以减小电池的容量损失。
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金属/空气电池由具有反应活性的负极和空气电极经电 化学反应偶合而成，它的正极反应物用之不尽。在某些情 况下，金属/空气电池具有很高的质量比能量和体积比能量。 这一体系的极限容量取决于负极的安时容量和反应产物的 贮存与处理技术。 已经研究和开发过的金属/空气电池有原电池、贮备 电池、可充电电池和机械再充式电池等。在机械充电电池 设计(即更换放完电的金属负极)中，电池在本质上相当于 原电池，它的空气电极为相对简单的“单功能”电极，只 需要在放电模式下工作。常规可充电金属/空气电池需要一 个第三电极(用来维持充电时放出氧气)或者一个“双功能” 电极(一个既可以还原氧又可以析氧的电极) 。
金属空气电池的理论能量密度只取决于负极即燃料电极， 这是电池中传递的唯一活性物质，氧气则在放电过程中从空 气中引入。金属电极上的放电反应取决于所使用的金属、电 解质和其他因素，放电反应的一般通式为
M M n ne
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金属空气电池工作原理
电池放电总反应为
4M nO2 2nH2O 4M (OH )n
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7.2 空气电极
7.2.3 空气电极催化剂
对空气电极催化剂材料的一般要求是: a 对氧的还原/析出具有良好的催化活性； b 对过氧化氢的分解具有促进作用； c 耐电解质和氧化/还原气氛的腐蚀； d 电导率和比表面积大 就不同材料而言，比表面积大并不意味着催化活性高， 但对同种材料而言，比表面积越大，活性中心多，活性 大。
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7.2 空气电极
7.2.1 电极组成及成分的影响
（3）黏合剂的影响 电极黏合剂要具有良好的黏性，使制备的电极具有一 定的机械强度；同时，还要有憎水性，可以构建气体网络通 道，形成三相反应界面；具有良好的导电性，以降低欧姆极 化。常用的黏合剂是PTFE（聚四氟乙烯），它是一种非极 性黏合剂，而碱性很好，但黏度很低。300℃左右热压时 PTFE形成三维网络，使活性物质不至于脱落。
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金属空气电池工作原理
以活泼固体金属如铝、锌、铁、镁等为燃料源，以碱性 溶液或中性盐溶液为电解液，电池中阳极为活泼金属消耗 电极，阴极为空气扩散电极，电解质为中性盐溶液或碱性 溶液，阴极反应为氧气还原的电极反应。
O2 2H 2O 4e 4OH ( E0 0.401 V)
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7.2 空气电极
空气电极反应是在气、固、液三 相界面上进行的。因为氧在水溶液中 的溶解速度和扩散速度都很小，采用 两相电极时电流密度小，因此大多使 用三相电极。三相电极的结构由活化 层（亲水的催化层）、疏水层（疏水 的气体供应层或防水透气层）、导电 网（镍网或镀镍铜网）构成，电极内 部能否形成尽可能多的有效三相界面 将影响催化剂的利用率和电极的传质 过程。
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7.3 锌空气电池
锌空气电池（zinc air battery）用活性炭吸附空气 中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯 化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池。又称锌氧 电池。 锌空气电池具有容量大、比能量高、成本低、放 电性能稳定等优点，是一种具有巨大市场前景的化学 电源。然而，由于锌空气电池的放电电流密度偏低及 其催化材料贵金属的价格昂贵等原因，从而限制了它 的市场和应用范围。
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7.1 金属空气电池概述
金属空气电池发挥了燃料电池的 众多优点，将锌、铝等金属像氢气一 样提供到电池中的反应位置，与氧气 一起构成一个连续的电能产生装置， 具有无毒、无污染、放电电压平稳、 高比能量、内阻小、储存寿命长、价 格相对较低、工艺技术要求较低、高 比功率等优点，既有丰富的廉价资源， 又能再生利用，而且比氢燃料电池结 构简单，是很有发展和应用前景的新 能源。
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7.2 空气电极
空气电池的正极活性物质是空气中的氧气，电池的 电化学反应是发生在空气电极和电解液形成的固液气三 相界面，所以它的电化学反应速度受到氧气从空气中扩 散进来的速度以及在界面的反应活性所控制。因而要提 高空气电池的放电电流密度，可以从两方面进行考虑： 一是提高空气电极的空气扩散能力，即提高透气性；二 是提高固液气三相界面的电化学反应活性。而提高固液 气三相界面的电化学反应活性，一般是通过选用催化性 能优异的催化材料来实现。
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7.3 锌空气电池
7.3.3 基本特性
（2）放电特性 锌空气电池的开路电压是1.45V，工作电压为0.9～1.30V，自 放电每月0.2%～1.0%，可在-20～40℃的温度范围内使用。实 际比能量是目前已用电池中最高的一种，放电曲线平稳。 （3）电池使用寿命 高倍率电池适合于大电流放电，但使用寿命短，常用作助听 器电源低倍率电池适合于小电流放电，使用寿命长，适合于电 子手表应用。
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7.2 空气电极
7.2.2 外界环境的影响
（1）空气中的CO2的影响 在碱性环境中，二氧化碳会形成碱式碳酸盐而沉积在电 极的微孔结构中，故应使空气中的CO2始终维持在1中合金元素的特性和电解液都有可能影响空气电 极的性能和寿命。此外，活性物质中有害物质、隔膜的稳 定性与抗氧化性等因素对锌空气电池性能均有不同程度的 影响。
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锌空气电池特点
①常温、常压下即可操作，不需外在的压力平衡设计； ②目前锌空气燃料电池单位重量的实际能量已达到了 230W· h/kg，几乎是 铅酸蓄电池的8倍，已超过现有的镍氢电池及锂离子电池，且未来还有很 大的发展空间； ③自放电率低，若置于密闭空间中，放电率几乎为零； ④重量小、体积小、容量大，系统结构简单； ⑤锌空气燃料电池也具有良好的环保性，当其产生电能后，产物主要有 两种，即水汽与氧化锌，这些物质经处理后皆可再使用，属于零污染； ⑥锌空气燃料电池所需的反应物主要有锌和空气，皆属低成本物质，故 锌空气燃料电池的经济性毋庸置疑； ⑦能在宽广的温度范围内正常工作且无腐蚀，工作安全可靠； ⑧锌空气燃料电池的应用层面很广，例如3C产品、电动车辆或区域发电 机。 锌空气电池具有上述高比能量的优点，但是其比功率较小(90W/kg)，不能 存贮再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。 一般为了弥补其不足，使用锌空气电池的电动汽车还会装有其他电池以 帮助起动和加速。
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7.3 锌空气电池
7.3.2 结构
在单体电池中以锌为正极，氧为负极，采用外 氧式设计，在锌空气电池两侧有两块高功率、长 寿命的空气电极。成品的锌空气电池由一组单体 电池串联而成，车载锌空气动力电池组还包括空 气流通保障系统和电池组热管理系统两个子系统 ，以确保动力电池组能够长期、稳定地运转。空 气流通保障系统，调节进入锌空气电池负极地空 气量，当不使用电池时，可以自动切断空气。热 管理系统保证锌空气电池组能够可靠地工作。