金屬空氣電池是一種通過金屬與氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)來儲存和釋放能量的電池系統(tǒng)。其核心特點是使用金屬（如鋅、鋁、鋰、鎂等）作為負極，空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，具有能量密度高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)勢，被認為是下一代儲能技術(shù)的重要候選之一。

金屬空氣電池長期面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)在于反應(yīng)可逆性——電池化學(xué)反應(yīng)必須能夠雙向進行：放電時通過正向反應(yīng)發(fā)電，充電時通過逆向反應(yīng)儲能。若電池反應(yīng)生成過于穩(wěn)定的產(chǎn)物，將導(dǎo)致充電容量衰減。

為了解決該問題，由麻省理工學(xué)院蔣業(yè)明（Yet-Ming Chiang）領(lǐng)導(dǎo)的團隊開始探索是否可采用“燃料可補充”方案替代傳統(tǒng)充電模式：即不依賴逆向反應(yīng)，而是通過單向運行后補充初始反應(yīng)物實現(xiàn)循環(huán)。其參與創(chuàng)辦的 Form Energy 公司正在為大型儲能裝置（例如用于將風能和太陽能儲存在電網(wǎng)中的裝置）研制鐵空氣電池。Form Energy 的電池依靠水、鐵和空氣作為能源。

最終，他們成功開發(fā)了一種以液態(tài)金屬鈉為燃料的新型燃料電池——雖然與電池類似，但可以通過快速補充燃料而非充電來恢復(fù)能量。相關(guān)成果發(fā)表在Joule期刊。

鈉是一種價格低廉且供應(yīng)廣泛的材料；這種新型電池的另一側(cè)是普通空氣，作為氧原子的來源；中間是一層固體陶瓷材料充當電解質(zhì)，允許鈉離子自由通過，而多孔的空氣電極則幫助鈉與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電能。

該團隊開發(fā)了兩種實驗室規(guī)模的原型原型。其中一種稱為H 型電池，兩個垂直玻璃管通過中間裝有固態(tài)陶瓷電解質(zhì)和多孔空氣電極的管道連接，一側(cè)充滿液態(tài)金屬鈉，另一側(cè)通入空氣提供氧氣，中心發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)逐漸消耗鈉燃料；另一種水平設(shè)計使用托盤狀電解質(zhì)容器盛放液態(tài)鈉燃料，促進反應(yīng)的多孔空氣電極固定在托盤底部。

（來源：MIT News）

在對原型設(shè)備進行的一系列實驗中，研究人員證明，這種電池的單位重量儲能量是目前幾乎所有電動汽車使用的鋰離子電池的 3 倍以上。根據(jù)這些實驗設(shè)備的研究，研究人員估算出其能量密度約為 1200 Wh/kg，遠高于目前商用鋰離子電池的水平（約 300 Wh/kg）。

鈉空氣燃料電池的能量密度高于鋰離子電池，而且不像氫燃料電池那樣需要極低的溫度或高壓，因此在運輸方面更具實用性。“我對鈉金屬作為未來能源載體很感興趣。”蔣業(yè)明說道。他指出，這項技術(shù)確實具有革命性潛力。特別是在航空領(lǐng)域，重量因素至關(guān)重要，這種能量密度的提升可能最終使大規(guī)模電動飛行成為現(xiàn)實。該技術(shù)還可能推動海運鐵路運輸等其他領(lǐng)域的發(fā)展。

研究人員設(shè)想，在飛機應(yīng)用時可將包含多個電堆的燃料包（類似餐廳餐盤架）插入燃料電池系統(tǒng)，隨著電力輸出，燃料包內(nèi)的金屬鈉發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化。反應(yīng)副產(chǎn)物會持續(xù)排出，在航空應(yīng)用中這些物質(zhì)將從飛機尾部排出，類似于噴氣發(fā)動機的尾氣。

但存在關(guān)鍵區(qū)別：不會產(chǎn)生二氧化碳排放。排放物氧化鈉實際上會吸收大氣中的二氧化碳，迅速與空氣中的水分結(jié)合生成氫氧化鈉（常用作排水管清潔劑），繼而與二氧化碳形成固體碳酸鈉，最終變成碳酸氫鈉（小蘇打）。即使最終產(chǎn)物碳酸氫鈉進入海洋，它也可以幫助海水降低酸度，抵消溫室氣體的影響。

重要的是，這種新型燃料電池本質(zhì)上比許多其他電池更安全。雖然金屬鈉極具活性，需嚴格防護（與鋰電池類似，遇濕會自燃），但在燃料電池中，一側(cè)只是空氣，濃度低且有限，因此不存在兩種高濃度反應(yīng)物直接接觸的情況。追求超高能量密度時，出于安全考慮燃料電池比電池更具優(yōu)勢。

（來源：MIT Technology Review）

目前，蔣業(yè)明參與創(chuàng)辦了一家名為 Propel Aero 的公司，致力于將這項研究商業(yè)化，公司目前已入駐 MIT 創(chuàng)業(yè)孵化器 The Engine。該項目獲得了美國能源部高級研究計劃局（ARPA-E）Propel-1K 項目的資助，旨在為飛機、火車和輪船開發(fā)新型高功率儲能技術(shù)。

團隊下一步計劃繼續(xù)研究如何提升電池的性能和能量密度，并開始設(shè)計小型系統(tǒng)。初期計劃生產(chǎn)磚塊大小的燃料電池，提供約 1000 瓦時能量（足以驅(qū)動大型無人機），旨在通過農(nóng)業(yè)等實際應(yīng)用驗證概念。“我們希望在明年內(nèi)制造出可以飛行的東西。”蔣業(yè)明說道。

1.https://news.mit.edu/2025/new-fuel-cell-could-enable-electric-aviation-0527

2.https://www.technologyreview.com/2025/05/27/1117456/sodium-fuel-cell/